m en c. alberto hernández pérez

CENTRO DE INVESTIGACIÓN Y DE ESTUDIOS AVANZADOS

DEL INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL

UNIDAD ZACATENCO

DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA ELÉCTRICA SECCIÓN DE BIOELECTRÓNICA

Diseño y construcción de un sistema de registro de señales eléctricas, debido a estímulos bióticos o abióticos que se presentan

en la planta.

Tesis que presenta

M en C. Alberto Hernández Pérez

para obtener el Grado de

Doctor en Ciencias

en la Especialidad de

Ingeniería Eléctrica

Dr. David Elías Viñas

México, D.F. Mayo 2015

i

Dedicatorias…

A dios, porque sé que siempre está a mi lado aunque algunas veces me olvide de él.

A mi esposa Estela, por ser el pilar en todos mis aciertos.

A mis padres Amador Hernández y María Carmen Pérez, gracias por estar en todo momento.

A mi madre, por darme siempre cariño, comprensión, impulso en los malos momentos y

escucharme en todas mis locuras.

A mi asesor David Elías Viñas, por todos sus conocimientos que supo transmitir en mí.

A mi hermano, Juan José Hernández Pérez por protegerme en mi infancia.

A mi hermana, Alejandra Hernández Pérez por escucharme.

A mi hermano, Miguel Ángel Hernández Pérez por enseñarme el valor de la vida.

A mi hermano, Jorge Hernández Pérez por saber valorarme como hermano.

A mis sobrinos Juan José Hernández Miranda, Adrián Hernández Miranda y Luis Emiliano

Hernández Gasca, por alegrarme mis momentos con su presencia.

A mis suegros, Roberto Cruz Flores Ramírez y Luz Estela Gómez García por su apoyo.

A mi querido cuñado Carlos Benjamín Flores Gómez por todos los momentos agradables que

pasamos.

ii

A mis mejores amigos del Cinvestav, Silvino Reyes, Modesto Cortes, Juan Manuel (Juanito),

Víctor, Gregorio (Goyito), Alfonzo, Jessica, Hugo Hernández, Pedro Alejandro, Luis

Armando Villamar, Adrián Antonio Castañeda, Jeny, ya que en cierta manera me apoyaron

en alguna parte de esta tesis.

Si quieres hacer cosas distintas, no hagas siempre lo mismo.

Albert Einstein.

iii

Agradecimientos

Al Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología (Conacyt), por la beca otorgada durante el

desarrollo de esta tesis.

Al Doctor David Elías Viñas, por ser una persona que me enseño muchas cosas como persona

durante mi estancia en el Lab. 12 de Bioelectrónica.

A Georgina Olmos, Patricia Peña, Jorge Navarro, gracias por su amistad y apoyo durante mi

estancia en el Cinvestav.

A los doctores, Dr. Ernesto Suaste Gómez, Dr. Adrián Antonio Castañeda Galván, Dr.

Roberto Ruiz Medrano, Dra. Guadalupe Beatriz Xoconostle Cazares por sus atenciones en

esta tesis.

A mis amigos de trabajo, Dr. Adrián Antonio Castañeda, Dr. Mauricio Hernández, Dra.

Yesenia Eleonor González, M en C. Rafael Santiago Godoy.

“Nunca me gusta pensar en el futuro, siempre llega demasiado pronto”

Albert Einstein.

iv

Resumen

Las plantas reúnen continuamente información acerca de su medioambiente

obteniendo varias respuestas biológicas; las células, tejido y órganos de la planta

poseen la habilidad de excitarse ante la influencia de factores ambientales,

sincronizando sus funciones biológicas en respuesta a su entorno. La sincronización

de sus funciones internas está basada en los eventos externos y vinculados con el

fenómeno de excitabilidad de células en la planta. La conducción de la excitación

bioelectroquímica es una propiedad de los organismos vivos; este es un proceso

para la transmisión de señales a larga distancia entre el tejido de la planta y sus

órganos [33]. Las plantas responden a diferentes tipos de estrés bióticos por ejemplo:

los animales, otro tipo de plantas, insectos, bacterias, hongos, virus, sales y potencial

de agua por mencionar algunos. En los tipos de estrés abióticos existen por ejemplo:

sequía, sales en el suelo (estrés salino), calor, frío y/o congelación (estrés térmico),

estrés por contaminantes en el medio ambiente (agentes de fumigación, herbicidas,

metales), deficiencia en elementos minerales (estrés nutricional), viento, suelo

compacto (estrés mecánico), lesiones o heridas y/o estimulación mecánica causada

por insectos o el hombre.

En el presente trabajo se desarrolla un sistema electrónico que es capaz de registrar

las señales eléctricas que pueden propagarse a través de las células excitables, esto

debido a eventos externos, los cuales propician información endógena que las

plantas en afán de regular su funcionamiento; la transmiten en forma de señales

eléctricas. Estas señales pueden ser registradas por el sistema electrónico mediante

una interfaz hombre-máquina y esta información puede ser capturada en diferentes

formatos de trabajo (txt, xls, xst, xlsx) para poder analizar la información e investigar

el comportamiento de cada estudio que presentan las plantas.

v

Abstract

The plants continuously gather information about their environment obtaining several

biological responses; cells, tissues and organs of the plant have the ability to become

aroused to the influence of environmental factors, synchronizing their biological

functions in response to their environment. Internal synchronization functions is based

on external events and related to the phenomenon of cell excitability in the plant.

Bioelectroquímica driving the excitation is a property of living organisms; this is a

process for transmitting signals over long distances between plant tissue and organs

[33]. Plants respond to different types of biotic stress animals, other plants, insects,

bacteria, fungi, viruses, salts and water potential among others. In the types of abiotic

stress exist drought, soil salts (salt stress), heat, cold and / or freezing (heat stress)

stress contaminants in the environment (fumigants, herbicides, metals), deficiency in

minerals (nutritional stress), wind, soil compaction (mechanical stress), injuries or

wounds and / or mechanical stimulation caused by insects or humans.

In this paper an electronic system that is able to record electrical signals that can

propagate through excitable cells develops, this due to external events, that foster

endogenous information eagerness plants regulate their functioning; transmitted in

the form of electrical signals. These signals can be recorded by the electronic system

via a man-machine interface and this information can be captured in different formats

work (txt, xls, xst, xlsx) to analyze the information and investigate the behavior of

each study presented by plants.

vi

Contenido

Resumen iv

Abstract v

I.-INTRODUCCIÓN 1

1.1 Objetivos específicos 2

1.2 Estructura de la tesis 3

II.-ANTECEDENTES 4

2.1 Botánica 4

2.2 Divisiones de la Botánica 4

2.3 Fisiología vegetal 5

2.3.1 La célula vegetal 6

2.3.2 El tejido vascular 7

2.3.3 Xilema y floema 8

2.3.4 Estrés en las plantas 11

2.3.5 Concepto de estrés 11

2.3.6 Estímulos en la planta: factores bióticos y abióticos 12

2.3.7 Respuesta Bioquímica de la planta 13

2.3.8 Potencial de acción en células de animales 13

2.3.9 Potenciales de acción en fibras musculares 14

2.3.10 Potenciales de acción en células vegetales 14

2.4. Sustratos para plantas 15

2.4.1 Sustrato 15

2.4.2 Tipos de sustratos 16

2.4.3 Solución nutritiva 16

2.5. Electrodos 17

2.5.1 La interfase electrodo – electrolito 17

2.5.2 Potencial de semicelda 18

2.5.3 Polarización del electrodo 18

2.5.4 Electrodos polarizables y no polarizables 20

2.5.5 Electrodo de plata/cloruro de plata 20

2.5.6 Electrodos para estimulación eléctrica de los tejidos 21

vii

2.6. Instrumentación electrónica 22

2.6.1 Amplificador operacional 22

2.6.2 Amplificador de instrumentación 24

2.6.3 Amplificador inversor con ganancia 26

2.7. Filtros activos y pasivos 26

2.7.1 Etapa de filtrado 27

2.8. Microcontroladores 27

2.8.1 Puertos de Entrada y Salida 28

2.8.2 Oscilador para Microcontrolador 29

2.9 Protocolos de comunicación 30

2.9.1 Protocolo RS232 30

2.9.2 Principio de funcionamiento 31

2.9.3 Señales del DB9 32

2.9.4 Velocidad y control del puerto 33

2.9.5 Convertidor USB a Serial 33

2.10 Plataforma de trabajo LabVIEW 34

2.10.1 Instrumentación virtual 35

III.- DESARROLLO 36

3.1.- Germinación de semillas 38

3.2 Utilización de los Sustratos 42

3.2.1 La Vermiculita 42

3.2.2 Agrolita o perlita 43

3.2.3. Tierra para maceta 44

3.2.4 Peat moss 46

3.2.5 Electrodos para medición de biopotenciales 47

3.2.6 Acoplamiento de señales 50

3.3 Etapa de instrumentación 51

3.3.1 Amplificador emisor seguidor 51

3.3.2 Amplificador de instrumentación 52

3.3.3 Corrector de Basal 53

3.3.4 Filtros activos UAF42AP 54

viii

3.3.5 Amplificación de la señal 56

3.4 Microcontrolador Atmega16L 57

3.5 Pantalla de despliegue 59

3.6 Teclado Matricial 61

3.7 Conexión del sistema 64

3.7.1 Conexión serial RS232 64

3.7.2 Conexión USB 65

3.8. Caja de desarrollo de registros 67

3.9 Programa de captura de datos 68

IV. PRUEBAS Y RESULTADOS 74

V. DISCUSIÓN 85

VI. CONCLUSIONES Y PERSPECTIVAS 86

REFERENCIAS 88

ix

ÍNDICE DE FIGURAS

Fig. 2.1. Ramas de la botánica 4

Fig. 2.2. Características de las células animal y vegetal 7

Fig. 2.3. Esquema que representa al floema (rojo) y xilema (azul) 8

Fig. 2.4. Xilema y Floema 9

Fig. 2.5 Xilema. (a) Traqueidas, (b) Parenquimáticas 9

Fig. 2.6. Células del Floema 10

Fig. 2.7. Interfaz electrodo electrolito 18

Fig. 2.8. Amplificador operacional 23

Fig. 2.9. Amplificador de instrumentación 25

Fig. 2.10. Amplificador inversor son ganancia 26

Fig. 2.11. Microcontrolador AVR Atmega16L 29

Fig. 2.12. Cristal de cuarzo 30

Fig. 2.13. Conector DB9 31

Fig. 2.14. Convertidor USB-RS232 34

Fig. 3.1. Diagrama a bloques del sistema de registro 37

Fig. 3.2. Frijol a) Pinto villa, b) carioca 38

Fig. 3.3. Caja de acrílico 39

Fig. 3.4. Distribución de las semillas 39

Fig. 3.5. Aparición de la radícula en la semilla 40

Fig. 3.6. Fase de germinación de semillas 41

Fig. 3.7. Embrión y semilla de dicotiledónea 41

Fig. 3.8. Sustrato Vermiculita 42

Fig. 3.9. Plántulas en sustrato vermiculita 43

Fig. 3.10. Sustrato agrolita o perlita 44

Fig. 3.11. Tierra para macetas 45

Fig. 3.12. Plántula en tierra de maceta 46

Fig. 3.13. Sustrato peat moss 46

Fig. 3.14. Plantas en sustrato peat moss 47

Fig. 3.15. Electrodos para acupuntura 48

Fig. 3.16. Electrodo para electrocirugía 49

x

Fig. 3.17. Sistema de electrodos de electrocirugía 49

Fig. 3.18. Electrodo para electromiografía 50

Fig. 3.19. Emisor seguidor 51

Fig. 3.20. Respuesta del seguidor de voltaje 51

Fig. 3.21. (a) Amplificador de instrumentación, (b) Desarrollo de la tarjeta de

instrumentación 52

Fig. 3.22. Respuesta del amplificador de instrumentación 53

Fig. 3.23. Filtro activo pasa altas de frecuencia de corte 1.59 Hz 53

Fig. 3.24. Filtro activo UAF42AP 54

Fig. 3.25. Diseño del filtro Butterworth 54

Fig. 3.26. Componentes del filtro pasa altas (Butterworth) 55

Fig. 3.27. Configuración del filtro 55

Fig. 3.28. Amplificador con ganancia de 1 a 50 56

Fig. 3.29. Señales del amplificador con ganancia 56

Fig. 3.30. Conectividad del sistema 57

Fig. 3.31. Función del Microcontrolador 57

Fig. 3.32. Sensores DS1820B 59

Fig. 3.33. Dimensiones del PD4437 59

Fig. 3.34. Diagrama a bloques de PD4437 60

Fig. 3.35. (a) Inicio del sistema, (b) Inicio de usuario, (c) sistema detenido desde la

PC 61

Fig. 3.36. Conexión del Teclado matricial 62

Fig. 3.37. Teclado matricial 62

Fig. 3.38. Codificador MM74C922N 63

Fig. 3.39. Diagrama interno del codificador para teclado MM74C922N 63

Fig. 3.40. Comunicación serial (RS232) 65

Fig. 3.41. Diagrama a bloques del FT232RL 66

Fig. 3.42. Conectividad del FT232RL 66

Fig. 3.43. Sistema de comunicación con el FT232RL 67

Fig. 3.44. Caja de desarrollo 67

Fig. 3.45. Panel de control del programa de captura 68

xi

Fig. 3.46. Panel frontal del programa de captura 68

Fig. 3.47. Sistema de Encendido 69

Fig. 3.48. Etapa de monitoreo sin encender desde el panel frontal 69

Fig. 3.49. Etapa de paro con error 70

Fig. 3.50. Sensado del sistema y USB 70

Fig. 3.51. Primera etapa de captura de datos 71

Fig. 3.52. Controles de tiempo de inicio y termino del registro 72

Fig. 3.53. Segunda etapa de captura de datos 72

Fig. 3.54. Datos del registro 73

Fig. 4.1. Señal que genera la planta la incidir los electrodos 74

Fig. 4.2 Señal después de la inserción de electrodos 75

Fig. 4.3 Señal de corte de una hoja 75

Fig. 4.4 Corte de una hoja con amplificación de 15 76

Fig. 4.5. Señal con amplificación y distancia entre electrodos 76

Fig. 4.6. Daño mecánico con un electrodo 77

Fig. 4.7. Continuación de la señal de daño mecánico 78

Fig. 4.8. Señal con estimulo de señal cuadrada 78

Fig. 4.9. Estimulo en la superficie de la planta 79

Fig. 4.10. Estimulo con presión en una hoja 79

Fig. 4.11. Estimulos con una frecuencia de 10 Hz y 500 mV 80

Fig. 4.12. Estimulos con una frecuencia de 10 Hz y 1000 mV 81

Fig. 4.13. Colocación de electrodos 81

Fig. 4.14. Estimulación con luz blanca, 590 luxes 83

Fig. 4.15. Estímulo con luz blanca implementando 2 pulsos de luz, 590 luxes 84

ÍNDICE DE TABLAS

Tabla 2.1. Las enfermedades en plantas que se producen pueden ser provocadas

tanto por factores bióticos o por factores abióticos. 12

Tabla. 2.2. Distribución de pines del DB9. 32

Tabla 4.1. Valores de respuesta a la inserción de electrodos 82

Ingeniería Eléctrica Sección Bioelectrónica

1

I.- INTRODUCCIÓN

La fisiología vegetal es la ciencia que estudia la función de las plantas, el objetivo es

estudiar las funciones que realizan las plantas para mantenerse vivas. Las funciones

se explican mediante leyes físicas y químicas el cómo las plantas son capaces de

utilizar la energía solar partiendo de sustancias inorgánicas y orgánicas para

construir complejas estructuras en la formación de su cuerpo [3]. Esto explica por

qué las plantas llegan a utilizar su estructura endógena para reproducirse y

adaptarse a condiciones ambientales. En la actualidad se desarrollan varios trabajos

enfocados a la actividad eléctrica en plantas desde su crecimiento hasta su edad

adulta y el proceso en el que se encuentran expuestas a varios cambios que

modifican su accionar endógeno y con ello su crecimiento.

En este proyecto se desarrolla un sistema electrónico, que es capaz de registrar

señales eléctricas en plantas, a causa de daños o estímulos producidos por sistemas

vivos (bióticos) y no vivos (abióticos); Los estímulos bióticos se presentan por

algunos patógenos, depredadores, virus, daños mecánicos, etc. Los daños abióticos

están presentes en las plantas debido a la sequía, viento, salinidad, falta de

minerales, etc. La idea de este trabajo se centra en que las plantas producen y

distribuyen señales bioelectroquímicas que producen de forma endógena después de

haber sido provocado por algún tipo de estímulo; y con esto poder almacenar la

información necesaria para dar una interpretación a los resultados obtenidos. Los

beneficios de este trabajo son muy importantes debido a que en la actualidad no se

sabe muy poco de dichas señales en plantas, pero pueden producirse en

condiciones particulares con adaptaciones debido a su entorno. Otro de los beneficio

de este trabajo es obtener un registro de datos para visualizar la respuesta que

presentan las plantas a larga distancia.

Para capturar las señales eléctricas es necesario utilizar técnicas para la percepción

de la señal y para esto se utilizan sensores tipo aguja que registran la actividad

electroquímica de las células, convirtiéndola en señal eléctrica para poder registrarla

con componentes electrónicos llamados amplificadores operacionales. Estos sirven


2

de acoplamiento de la señal con el sistema de adquisición y el procesamiento de la

información de la señal adquirida, el propósito de estos amplificadores es tratar de no

alterar demasiado la señal y para darle una interpretación a los resultados obtenidos.

1.1 Objetivos específicos

Establecer características físicas y químicas de sustratos para el crecimiento

de las plántulas.

Establecer una metodología de germinación de semillas y obtener un mejor

aprovechamiento de las mismas para su mejor crecimiento.

Realizar el procedimiento de traspaso de las semillas germinadas.

Establecer las condiciones adecuadas de crecimientos de las plántulas en el

sustrato elegido.

Establecer las características del sistema de registro de señales eléctricas y el

diseño electrónico para acondicionar las señales.

Pruebas con electrodos tipo aguja, considerando el tipo de planta a utilizar con

el sistema de registro.

Construir el sistema electrónico para acondicionar las señales registradas.

Desarrollo de una tarjeta de adquisición de datos utilizando el puerto USB y su

analogía con el protocolo de comunicación RS232.

Acondicionar y convertir las señales analógicas para el envío a la PC.

Registrar las señales analógicas con la tarjeta de adquisición.

Diseño y desarrollo de un programa de captura y almacenamiento de las

señales.


3

1.2 Estructura de la tesis

En el capítulo I, se describe el planteamiento del problema y su importancia del

desarrollo de este trabajo, así como los objetivos que se desarrollaron en esta tesis.

En el capítulo II, se mencionan algunos antecedentes de los conceptos

fundamentales de la electrofisiología de plantas y conceptos fundamentales de los

componentes electrónicos utilizados para la captura de las señales eléctricas.

En el capítulo III, se menciona el desarrollo de cada uno de los objetivos que llevaron

a la conclusión de esta tesis.

En el capítulo IV, se presenta los resultados obtenidos del capítulo III y los resultados

obtenidos de cada procedimiento del sistema electrónico.

En el capítulo V, se menciona el análisis de los resultados parciales y finales de la tesis.


4

II.- ANTECEDENTES

2.1 Botánica

La botánica es la rama que estudia a los vegetales, dadas las numerosas diferencias

que tienen éstos, comparados con los demás seres vivos [ ]. La botánica ha existido

desde la antigüedad, y ha ido pasando de ser simplemente conocimiento empírico a

ser una ciencia. El hombre ha estudiado a los vegetales a raíz de la dependencia que

manifiesta hacia los mismos, puesto que estos son los organismos productores y

constituyen el inicio de la cadena alimenticia.

2.2 Divisiones de la Botánica

La Botánica puede dividirse en dos ramas:

1. Botánica pura: estudia las plantas desde un punto de vista puramente teórico.

2. Botánica aplicada: estudia la utilidad o aplicación de los vegetales

El conocimiento de la primera es indispensable para aclarar los problemas que se

presentan al estudiar a la segunda (Fig. 2.1).

Fig.2.1. Ramas de la botánica


5

2.3 Fisiología vegetal

La fisiología vegetal es la ciencia que estudia cómo funcionan las plantas, esto es,

que ocurre en las plantas que las mantiene vivas. Explica a través de las leyes físicas

y químicas como las plantas son capaces de utilizar la energía de la luz para, a partir

de sustancias inorgánicas, sintetizar moléculas orgánicas con las que construye sus

complejas estructuras que forman el cuerpo de la planta [3]. Explica también como

las plantas siguen un programa de desarrollo endógeno, que son capaces de

reproducirse y como adaptan dicho programa en cada momento de su crecimiento.

El campo de la fisiología vegetal incluye el estudio de todas las actividades internas

de las plantas, procesos químicos y físicos asociados a la vida. Esto implica el

estudio a muchos niveles en escala de tamaño y tiempo. En la escala más pequeña

se encuentran las interacciones moleculares de la fotosíntesis y la difusión interna

del agua, los minerales y los nutrientes. En gran escala se encuentra el desarrollo,

estacionalidad, dormancia y control reproductivo. El ámbito de la fisiología vegetal

como disciplina se puede dividir en varias áreas de investigación.

Primero, la fitoquímica, que estudia la gran diversidad de compuestos químicos que

producen para funcionar y sobrevivir (elementos que no se encuentran en otros

organismos). Ya que no se pueden mover, deben defenderse químicamente de

herbívoros, patógenos y de la competencia contra otras plantas, para ello producen

toxinas y compuestos que producen mal olor o sabor. Otros productos las defienden

contra enfermedades permitiéndoles vivir durante las sequías y las preparan para

la hibernación. Y aún otros los utilizan para atraer polinizadores o herbívoros que

esparzan las semillas maduras. La fotosíntesis requiere una amplia serie de

pigmentos, enzimas y otros compuestos para funcionar.

Segundo, el estudio de los procesos biológicos y químicos de las células. Las células

vegetales tienen ciertas características que las distinguen de las animales, las cuales

dan origen a las principales diferencias de comportamiento y respuesta en relación a

la vida animal. Por ejemplo, las células vegetales poseen una pared celular que

restringe su forma y, por tanto, limita su flexibilidad y movilidad. También

http://www.ecured.cu/index.php?title=Fotos%C3%AD%C2%ADntesis&action=edit&redlink=1

http://www.ecured.cu/index.php/Fitoqu%C3%AD%C2%ADmica

http://www.ecured.cu/index.php/Hibernaci%C3%B3n


6

contienen cloroplastos, compuesto que interactúa con la luz de forma que les permite

fabricar su propio alimento (fotosíntesis), en lugar de consumir otros seres vivos [4].

Tercero, estudia las interacciones entre sus células, tejidos y órganos. Las diferentes

células y tejidos están física y químicamente especializados para llevar a cabo

funciones específicas.

Cuarto, estudia la forma en que las plantas controlan o regulan sus funciones

internas, como las fitohormonas producidas en una parte de la planta para alertar a

las células de otra parte que deben producir una respuesta. Compuestos sensibles a

la luz que responden a la duración de la noche para que la planta florezca en la

estación del año apropiada, un fenómeno conocido como fotoperiodismo. La

maduración de los frutos y la pérdida de hojas en invierno, funciones en parte

controladas por el gas etileno que produce la propia planta.

Finalmente, la fisiología vegetal estudia el modo en que las plantas responden a las

condiciones y cambios en el medioambiente, campo conocido como ecofisiología.

2.3.1 La célula vegetal

La unidad funcional básica de las plantas, como en todos los organismos es la célula

(Fig.2.2). Por ello, el estudio de la fisiología de las plantas es, en gran parte, el

estudio de la fisiología de las células de las plantas y su integración en el organismo.

La gran diversidad ecológica de las plantas está directamente relacionada con la

enorme variedad de formas, estructuras y funciones de las células individuales que

las forman. Esta diversidad hace difícil generalizar las características de las células.

Así nos encontramos las células del xilema (fig. 2.3) que son bioquímicamente

inactivas (muertas), pero que cumplen una importante función en el transporte de

agua. Las células del floema, los elementos cribosos, son anucleadas y han perdido

su sistema de membranas a excepción de la membrana plasmática, sin embargo

están adaptadas para permitir el transporte de asimilados.

http://www.ecured.cu/index.php/Clorofila


7

Fig. 2.2. Características de las células animal y vegetal

http://diferenciasentre.com/diferencias-entre-la-celula-animal-y-vegetal.html

2.3.2 El tejido vascular

Durante el desarrollo del xilema, las células precursoras se alargan, su pared celular

se engrosa, y su membrana y todos los organelos son autodigeridos. Finalmente,

“fosas” en la pared celular entre células vecinas mantienen la continuidad del tejido.

En contraste, el floema en su madurez consta de dos tipos celulares, la célula

acompañante (CA) y el tubo criboso (TC), interconectadas por túbulos citoplásmicos,

denominados plasmodesmos (Fig. 2.2), como en todas las células vegetales

(excepto los estomas). Mientras que la CA mantiene su integridad y elevada

actividad metabólica, el TC se degenera, de tal manera que en su madurez pierde el

núcleo y organelos en general, así como las separaciones con los TC vecinos. Sin

embargo, su membrana plasmática permanece funcional, por lo que el proceso de

degeneración no es tan extremo como en el xilema [5].


8

Fig. 2.3. Esquema que representa al floema (rojo) y xilema (azul). Las flechas indican la dirección del

flujo de ambos conductos; así, mientras que la savia del xilema fluye de las raíces al resto de la

planta, la savia del floema fluye de las hojas fotosintéticas al resto de la planta. Se recalca el papel del

floema como vía de transporte de señales que inducen fenómenos tales como la floración y

establecimiento de una respuesta de defensa contra patógenos en el meristemo apical. El asterisco

indica la señal, transportada desde hojas maduras e inducida tanto por un programa genético como

por fotoperiodo y otras señales, que induce la floración. El cuadrado pequeño corresponde a la señal

que induce la respuesta defensa contra patógenos en tejidos no expuestos a éstos. Esta señal

también es transportada del sitio original de la infección al meristemo apical, así como a otros tejidos.

Ciencia al Día Internacional © Abril 2004, Vol. 5, No. 2. ISSN 0717-3849

http://www.ciencia.cl/CienciaAlDia/volumen5/numero2/articulos/articulo3.html

2.3.3 Xilema y floema

El tejido vascular está compuesto de dos sistemas conductores: el xilema y el floema

(Fig. 2.4).

a) El xilema transporta agua y iones de minerales de la raíz al resto de la planta

[6] [7].

b) El floema distribuye los productos de la fotosíntesis y de una variedad de otras

soluciones a través de la planta [8].


9

Fig. 2.4. Xilema y floema

Las células del xilema forman un tejido estructural y funcionalmente complejo, el cual

está asociado al floema y se extiende de manera continua por todo el cuerpo de la

planta. Tiene por misión la conducción de agua, almacenamiento y soporte: Puede

ser de origen primario y secundario. Las células conductoras de agua son las

traqueidas (Fig. 2.5.a) y los miembros de los vasos; estos miembros están unidos por

los extremos formando los vasos. El almacenamiento se presenta en células

Parenquimáticas (Fig. 2.5.b) que se disponen en filas verticales y también en

disposición radial en el xilema.

(a) (b)

Fig. 2.5 Xilema. (a) Traqueidas, (b) células parenquimáticas


10

Las células del floema (Fig. 2.6) conducen alimento (fotosintatos producidos por la

fotosíntesis) desde las hojas al resto de la planta [9]. Son células vivas en la

madurez. Las células del floema están ubicadas por fuera del xilema.

Fig. 2.6. Células del Floema

La necesidad de un sistema de transporte a larga distancia para el movimiento de las

sustancias orgánicas es consecuencia de la especialización funcional. En los

organismos fotosintéticos más primitivos, unicelulares o talófitos, todas las células

realizan la función fotosintética del carbono por lo que los lugares de síntesis y de

utilización están muy próximos y el transporte no representa gran problema. En las

plantas vasculares, por el contrario, los fotoasimilados producidos en las hojas se

transportan a otros órganos (frutos, raíces y zonas de almacenamiento) a distancias

que oscilan entre unos centímetros y varias decenas de metros ni los procesos de

difusión, ni el transporte de célula a célula permiten mover con eficacia las sustancias

a distancias tan considerables [3].

http://fai.unne.edu.ar/biologia/plantas/#floema


11

2.3.4 Estrés en las plantas

El estrés ambiental representa una fuerte restricción para el aumento de la

productividad de los cultivos y el aprovechamiento de los recursos naturales. Se

estima que únicamente un 10% de la superficie de la tierra arable se encuentra libre

de algún tipo de estrés [10].

El deterioro ambiental por las actividades humanas no es un fenómeno reciente;

prácticamente, desde su aparición el hombre ha transformado su medio natural en un

intento por apropiarse de los recursos que la naturaleza le brinda. En la actualidad,

estos cambios han mostrado un grado de transformación tal, que ponen en peligro la

capacidad de equilibrio para sostenimiento de la vida humana [11].

Cerca del 20% de la tierra presenta algún tipo de deficiencia o toxicidad mineral. El

26% es afectada por estrés de sequía y 15% por temperatura [12]; incluso bajo

condiciones de producción protegida, como el uso de invernaderos y túneles, donde

también se presentan eventos de estrés biótico o abiótico que disminuye la

productividad.

2.3.5 Concepto de estrés

El estrés se identifica como una desviación significativa de las condiciones óptimas

para la vida. Dichas condiciones ocasionan cambios en todo los niveles funcionales

de los organismos. Desde un punto de vista biológico, el estrés tiene una

connotación más amplia, refiriéndose a los cambios ambientales que alteran al

estado fisiológico de las plantas [13].

El estrés es el conjunto de respuestas bioquímicas o fisiológicas que definen un

estado particular del organismo diferente al observado, bajo un rango de condiciones

óptimas. Se define la resistencia al estrés como la capacidad de un organismo para

resistir, evitar y escapar a los estímulos ambientales negativos o poder permanecer

bajo un estado particular de estrés sin que su fenotipo se vea modificado de manera


12

significativa; su estado “ideal” se identifica al ser observado bajo condiciones óptimas

y se denomina “norma” [10].

Son manifestaciones fenotípicas de estrés las deformaciones como el

amarillamiento, manchas, necrosis, etc. En las plantas. Otras menos obvias

requieren técnicas especiales para su detección, como la baja asimilación

enzimática, inducción a transmisión de genes, cambios en la composición química,

etc. Múltiples factores ambientales inducen estados de estrés en las plantas. El

estrés hídrico es la principal barrera para incrementar la producción y la calidad; en

conjunto con las plagas y enfermedades [14].

2.3.6 Estímulos en la planta: factores bióticos y abióticos

En general los factores bióticos que afectan a las plantas son: animales, plantas,

hongos, bacterias, virus que interaccionan con la planta y producen una respuesta

electroquímica [15]. Estas relaciones puede pueden ser: patógenos, parásitos,

simbióticas, comensales o amensales. Por organismos multicelulares que

interaccionan con las plantas y hacen depredación y parasitismo ( roedores y/o

nematodos) [16], los factores abióticos son aquellos componentes de un ecosistema

propio del medio ambiente, como: calor, frío, sequía, inundaciones, salinidad, daño

mecánico, exceso de luz, exceso de fertilizantes [17][18] (Tabla 2.1).

Tabla 2.1. Las enfermedades en plantas que se producen pueden ser

provocadas tanto por factores bióticos o por factores abióticos

Factores bióticos Factores abióticos

Hongos malezas Calor Lesiones mecánica

Bacterias algas Frio Carencia de luminosidad

Virus musgos Deficiencias de nutrientes Excesiva luminosidad

Nematodos Toxicidad por nutrientes

Roedores Sequía

Pájaros Exceso de humedad

Venado Toxicidad por químicos

Caracoles Contaminación del aire

http://www.monografias.com/trabajos10/cani/cani.shtml

http://www.monografias.com/trabajos14/plantas/plantas.shtml

http://www.monografias.com/trabajos10/hongo/hongo.shtml

http://www.monografias.com/trabajos/bacterias/bacterias.shtml


13

2.3.7 Respuesta Bioquímica de la planta

Las plantas, organismos sésiles, están obligadas a discriminar entre los diferentes

retos que les plantea su entorno y responder a ellos [19]. Estas respuestas a su

ambiente biótico y abiótico les permiten la mejor distribución de sus recursos para

crecer, reproducirse y defenderse. En gran parte de las reacciones de defensa se

reflejen en una diversidad bioquímica que tiene muy pocos paralelos con otros

grupos de organismos. De hecho, el repertorio bioquímico de las plantas es único. La

enorme diversidad fitoquímica y el largo tiempo de evolución de este metabolismo

han resultado en interacciones de complejidad creciente. En el caso de las

interacciones entre plantas e insectos, por ejemplo, ciertos compuestos con

estructuras muy similares pueden ejercer actividades muy disímiles, desde

insecticidas hasta repelentes o incluso atrayentes. El gran tamaño de respuestas es

el resultado de una compleja coevolución. No sólo resulta fascinante desde el punto

de vista biológico, sino que también acarrea consecuencias económicas importantes.

La interacción con organismos microbianos, herbívoros y otras especies de plantas

puede ser de carácter positivo, negativo o neutral. Depende, en cada caso, de una

serie de vinculaciones complejas, sobre la mayoría de las cuales conocemos muy

poco. Haremos aquí hincapié en las interacciones de carácter negativo, casi siempre

asociadas a la supervivencia ante el ataque de predadores, parásitos o patógenos

[17]. Aunque los mecanismos químicos involucrados en estos tres tipos de

interacciones pueden ser de naturaleza similar.

2.3.8 Potencial de acción en células de animales

La concentración de iones dentro de todas las células es distinta a la del medio que

las baña; el potasio suele estar más concentrado, y el sodio mucho menos, dentro de

las células que en el medio que las baña. Como las células en reposo (sin excitar)

suelen ser permeables al potasio pero esencialmente impermeables al sodio,

escapan iones de potasio desde su interior hasta que se desarrolla una diferencia de

potencial de -60 a -70 mV (milivolts) aproximadamente a través de la membrana

plasmática, y en estas condiciones el interior de la célula es negativo con respecto al


14

exterior por que la perdida de iones de potasio no se acompaña con pérdida de

aniones. Y de manera inversa, el exterior de las células se convierte en positivo al

mismo grado en relación de la misma [20].

2.3.9 Potenciales de acción en fibras musculares

Se producen también potenciales de acción en diversas fibras musculares [21]. La

parte excitada de una fibra muscular también se vuelve negativa en relación con la

porción en reposo, y es posible registrar de algunas fibras musculares potenciales de

acción de hasta unos 100 mV (milivolts). Hace muchos años, Galvani demostró la

naturaleza eléctrica de la excitación del musculo, y su semejanza con la del nervio,

colocando dos preparaciones de gastrocnemio y nervio ciático. Al excitar el primer

musculo para que se contrajera, por ejemplo, presionando su nervio, había excitación

del nervio ciático del segundo músculo, que se contraía inmediatamente después del

primero [22].

2.3.10 Potenciales de acción en células vegetales

También se producen potenciales de acción por estimulación de las células

vegetales [23] [28]. Por ejemplo, en la planta sensible mimosa pueden registrarse

con un galvanómetro los potenciales de acción que se desarrollan inmediatamente

después del estímulo de las células sensibles y pasan al pulvinos (engrosamiento o

ensanchamiento de la base de la hoja). Cuando los potenciales de acción llegan a

los pulvinulos, los cambios en la turgencia producen movimientos. Son todavía más

notables los potenciales de acción en Nitella, algas de agua dulce con células

multinucleadas muy grandes. Si se estimula una célula de Nitella mediante presión,

calor, luz, sustancias químicas o electricidad, el potencial de acción (de un décimo de

voltio) se propaga con una velocidad de varios centímetros por segundo en el aire, y

aproximadamente 10 veces con tanta rapidez en el agua con electrólitos. El potencial

de acción generalmente llega hasta los extremos de la célula [24]; sin embargo,

puede desaparecer después de atravesar parte de ella, conducta que contradice el

principio de todo o nada característico del impulso nervioso.

http://es.wikipedia.org/wiki/Hoja


15

Pero al igual que las células nerviosas, Nitella presenta una suma de estímulos

después de la excitación, la célula de Nitella se vuelve refractaria, y no puede ser

estimulada después de un tiempo. El periodo refractario puede durar 30 segundos o

varios minutos; después de una manipulación traumática [22] [25].

2.4. Sustratos para plantas

Durante los últimos años, la actividad agrícola se ha caracterizado por un marcado

dinamismo científico y tecnológico, impulsado por la necesidad de mejorar los

rendimientos y utilizar eficientemente los recursos disponibles. Unido a estos

cambios tecnológicos, se ha producido una importante sustitución del cultivo

tradicional en pleno suelo por el cultivo en sustratos. Las principales razones de esta

sustitución han sido:

a) La necesidad de transportar las plantas de un lugar a otro.

b) La presencia cada vez mayor de factores limitantes para la continuidad de los

cultivos intensivos en suelo natural, particularmente salinidad, enfermedades y

agotamiento del recurso [26].

Adicionalmente, el desarrollo de la industria de viveros y el auge de los cultivos sin

suelo han generado una creciente necesidad de investigación en sustratos agrícolas

que buscan satisfacer la demanda por plantas más productivas.

2.4.1 Sustrato

El término sustrato, que se aplica en agricultura, se refiere a todo material, natural o

sintético, mineral u orgánico, de forma pura o mezclado, cuya función principal es

servir como medio de crecimiento y desarrollo a las plantas, permitiendo su anclaje y

soporte a través del sistema radical, favoreciendo el suministro de agua, nutrientes y

oxígeno [30] [26].

El cultivo de plantas en sustrato difiere marcadamente del cultivo de plantas en

suelo. Así, cuando se usan contenedores para el volumen del medio de cultivo del

cual la planta debe absorber el agua y elementos nutritivos [27], es limitado y


16

significativamente menor que el volumen disponible para las plantas que crecen en

campo abierto.

En la actualidad existen una gran cantidad de materiales que pueden ser utilizados

para la elaboración de sustratos, y su elección dependerá de la especie vegetal a

propagar, tipo de propágulo, época, sistema de propagación, precio, disponibilidad y

características propias del sustrato [29].

2.4.2 Tipos de sustratos

La elección de material para la elaboración de los sustratos está determinada por la

disponibilidad local, su costo, para que el cultivo se vaya a emplear, sus propiedades,

la experiencia previa que se tiene en el empleo del material y su impacto ambiental

[43].

a) Materiales orgánicos: resaca de monte, resaca de río, hojas de pino, turba,

subproductos y desechos de actividades agropecuarias, industriales y

urbanas: residual sólidos, estiércol de animales, de granja (ovejas, caballos,

etc.).

b) Materiales inorgánicos: arena, perlita, vermiculita, arcilla expandida.

2.4.3 Solución nutritiva

El sustrato óptimo está definido por la especie vegetal a cultivar, el tamaño de la

maceta, las condiciones ambientales del área de producción (régimen de lluvias,

temperatura, luz, calidad del agua para riego, etc.) y del costo de los materiales para

su formulación.

Si conocemos con anticipación las características de un material podremos conocer

su capacidad para ser utilizado solo o en mezclas para la preparación de sustratos.

Las características físicas están directamente asociadas a la capacidad de proveer

agua y aire al sistema de raíces. Un sustrato está constituido por partículas sólidas y

espacios que dejan entre sí, denominados poros que conforman el espacio poroso

total.


17

Los poros de mayor tamaño, generados por la distribución de partículas grandes, son

los encargados de almacenar agua. El volumen de aire que se encuentra en los

poros de un sustrato cuando se encuentra a capacidad de contener es la capacidad

de aireación. Los sustratos con predominio de poros de tamaño grande necesitan

riegos frecuentes ya que, a capacidad de contenedor, gran parte de los poros están

ocupados por aire. Cuando predominan los poros pequeños aumenta el volumen de

agua retenida luego de un riego, por lo tanto necesitan una menor cantidad de riego

[43].

2.5. Electrodos

Para registrar los biopotenciales es necesario tener un elemento que haga interfase

entre la planta de estudio y el equipo de medida, este elemento es el electrodo. Dado

que los electrodos son una interfase, es necesario tener en cuenta que por ellos

fluirá una corriente: generalmente muy pequeña pero significante [35]. Además los

electrodos forman una interfase de transducción entre una corriente de naturaleza

iónica generada por la planta y la transducen en una señal eléctrica que es

transmitida al instrumento o sistema que registre este tipo de señales [33].

2.5.1 La interfase electrodo - electrolito

Un electrolito es un elemento o sustancia susceptible de ser descompuesta por

electrolisis. La interfaz electrodo electrolito (fig. 2.7) consiste en electrones que se

mueven en una dirección opuesta a la de la corriente en el electrodo, cationes (C+)

moviéndose en la misma dirección de la corriente y aniones (A-) moviéndose en una

dirección opuesta a la de la corriente en el electrolito [34] [46]. Lo que permite que

estas cargas crucen la interfase mediante las siguientes reacciones químicas de las

ecuaciones Ec. 2.1 y Ec. 2.2.

C ↔ Cn+ + ne- Ec. 2.1

Am ↔ A + me- Ec. 2.2

Dónde: n es la Valencia de C y m es la Valencia de A.


18

Fig. 2.7. Interfaz electrodo electrolito

El catión se descarga en el electrolito, mientras que el electrón permanece como un

portador de carga en el electrodo; el anión que llega a la interfaz puede oxidarse a

átomo neutro, dándole uno o más electrones libres al electrodo.

2.5.2 Potencial de semicelda

Es una diferencia de potencial, determinada por la naturaleza del metal involucrado,

la concentración de sus iones en solución y la temperatura, al igual que por otros

factores de segundo orden [35].

El potencial de semicelda se produce cuando se coloca un metal en una solución,

inicialmente, la reacción predomina a la derecha o a la izquierda, dependiendo de la

concentración de cationes en solución y las condiciones de equilibrio particulares. La

concentración local de cationes en la solución en la interfaz cambia, lo cual también

afecta la concentración de aniones en ese punto, lo que da como resultado la

diferencia de potencial en el electrolito que lo rodea.

2.5.3 Polarización del electrodo

Cuando existe una corriente eléctrica entre el electrodo y el electrolito, se altera el

potencial de semicelda [32]. La variación se debe a la polarización del electrodo. La

diferencia en potencial, entre el potencial de semicelda con corriente y el potencial de

semicelda con corriente cero en equilibrio se conoce como sobre voltaje.


19

El fenómeno de sobre voltaje tiene 3 componentes:

a) Sobre voltaje óhmico (Vr): es el resultado directo de la resistencia del

electrolito.

b) Sobre potencial de concentración (Vc): Resulta de los cambios en la

distribución de iones en el electrolito en la vecindad de la interfaz electrodo

electrolito.

c) Sobre voltaje de activación (Va): es una diferencia en voltaje entre el electrodo

y el electrolito, dad por la barrera que hay que vencer para que ocurra la

oxidación o reducción.

Los tres mecanismos de polarización son aditivos, por lo tanto, el sobre voltaje neto

está dado por la ecuación Ec. 2.3.

Vp= Vr+Vc+Va Ec. 2.3

Cuando dos soluciones iónicas acuosas de diferente concentración están separadas

por una membrana semi-permeable selectiva a iones, se desarrolla un potencial

eléctrico a través de esta membrana. El potencial está dado por la ecuación de Nerst

(Ec. 2.4).

Ec. 2.4

Dónde: a1 y a2 son las actividades de los iones sobre cada lado de la membrana, n

es la valencia del material del electrodo, R es la constante universal de los gases, F

es la constante de Faraday y T es la temperatura absoluta en K. en soluciones

diluidas la actividad iónica es aproximadamente igual a la concentración iónica.

Cuando las concentraciones son altas, la actividad de los iones es menor que su

concentración [35].


20

2.5.4 Electrodos polarizables y no polarizables

Se clasifican dependiendo de lo que sucede con el electrodo cuando una corriente

pasa entre él y el electrolito [37].

a) Electrodos polarizables: son aquellos en los cuales la carga no actual cruza la

interfaz electrodo electrolito cuando una corriente es aplicada. En este caso, el

electrodo se comporta como si fuera un capacitor.

b) Electrodos no polarizables: son aquellos en los cuales la corriente pasa

libremente a través de la interfaz electrodo electrolito, sin requerimientos de

energía para llevar a cabo la transición. No necesita sobre voltajes.

Electrodos hechos de metales nobles tales como el platino son los que se acercan

más al comportamiento de los electrodos perfectamente polarizables, como el

material de estos electrodos es relativamente inerte, es difícil que se oxide o

disuelva. Además, la corriente que pasa entre el electrodo y el electrolito cambia en

primer lugar la concentración de iones en la interfaz, entonces la mayoría de los

sobre voltajes vistos a partir de este tipo de electrodos es del tipo (Vc) voltaje de

concentración. Las características eléctricas de tales electrodos muestran en fuerte

efecto capacitivo [33].

2.5.5 Electrodo de plata/cloruro de plata

El Ag/AgCl es un electrodo práctico, como un acercamiento a las características del

electrodo no polarizable. Consiste en un metal cubierto con una capa delgada de un

compuesto iónico (AgCl) soluble de ese metal con un adecuado anión. Toda la

estructura es inmersa en un electrolito que contiene el anión (Cl-) en concentraciones

relativamente altas [33].

El comportamiento de Ag/AgCl está gobernado por dos reacciones químicas (Ec. 2.5

y Ec. 2.6).


21

Ag ↔ Ag+ + e- Ec. 2.5

Ag+ + Cl- ↔AgCl↓ Ec. 2.6

La primera envuelve la oxidación de los átomos de plata en la superficie del electrodo

para formar iones de plata en solución de la interfaz.

La segunda reacción ocurre inmediatamente después de la formación de los iones

Ag+. Estos iones se combinan con los iones Cl- en solución, para formar el

componente iónico AgCl; este último es muy poco soluble en agua, por lo que la

mayoría se precipita sobre el electrodo de plata contribuyendo así al depósito de

cloruro, la precipitación y retorno a la solución es una constante k, conocida como

producto de solubilidad (Ec. 2.7).

aAg+ X aCl- = k Ec. 2.7

en los fluidos biológicos, la concentración de los iones Cl- es relativamente alta, lo

cual le da una actividad tal que es un poco menor que la unidad. El producto de

solubilidad del AgCl es del orden de 10-10; esto significa que cuando el electrodo está

en contacto con los fluidos biológicos, la actividad del Ag+ debe ser muy baja, por el

mismo orden de magnitud del producto de solubilidad.

El electrodo Ag/AgCl presenta la mayor parte de su ruido en frecuencias bajas.

2.5.6 Electrodos para estimulación eléctrica de los tejidos

Los electrodos utilizados para la estimulación eléctrica de los tejidos siguen el mismo

diseño general que aquellos utilizados en el registro de biopotenciales. Difieren en

que en este caso pequeñas corrientes del orden de los miliamperios atraviesan la

interfase electrodo electrolito [33] [41].

Al estudiar los electrodos para estimular [36], se debe considerar que la corriente

neta a través de la interfase electrodo electrolito no siempre es cero. Si se utiliza un

pulso estimulante bifásico, la corriente promedio es cero durante periodos largos de

tiempo. Sin embargo, durante el ciclo del estímulo, hay periodos en los cuales la


22

corriente neta a través del electrodo va en una dirección en un tiempo y en otro

tiempo diferente. Además, las magnitudes de las corrientes de las dos direcciones

pueden ser diferentes.

En la estimulación con voltajes constante la corriente correspondiente al flanco de

subida salta en un paso grande pero cuando quede establecida la distribución de la

carga de polarización caerá a su valor bajo en el estado estable. Cuando el voltaje

cae la corriente parece cambiar la dirección pero luego retorna a cero. Esto se debe

a la disipación de esfuerzo de cargas de polarización en la interfase electrodo

electrolito.

2.6. Instrumentación electrónica

2.6.1 Amplificador operacional

El amplificador operacional es un circuito compuesto por una gran cantidad de

transistores [45]. Este circuito es muy utilizado debido a su gran versatilidad y puede

utilizarse en múltiples configuraciones que son capaces de hacer operaciones

aritméticas tales como la suma, resta, integración y derivación. El diagrama de un

amplificador es presentado en la Figura 2.8; se aprecian las terminales con las que

cuenta; la terminal Vout es la terminal de salida, la terminal V- es la entrada no

inversora, la terminal V+ es la entrada no inversora, mientras que las terminales Vs+

y Vs- son las terminales de alimentación, la Vs- es negativa y la Vs+ es la

alimentación positiva. Los amplificadores operacionales [45] tiene la característica de

amplificar la diferencia de potencial que aparezca en sus terminales V+ y V- dándole

una ganancia A, idealmente infinita; Vout = A((V+) – (V-)).


23

Fig. 2.8. Amplificador operacional

Se considera el modelo de amplificador operacional ideal como aquel circuito que

cuenta con las siguientes características [45]: impedancia de entrada infinita, es

decir, que la corriente neta que entra al amplificador por las terminales no inversora e

inversora es cero; impedancia de salida cero; ganancia de modo común cero, esto se

traduce al hecho de que al aplicar voltajes iguales a las entradas, la salida del

amplificador deberá ser cero [45]; ganancia de lazo abierto A infinita, en otras

palabras, se puede amplificar el factor (V+ - V-) a valores infinitos; y el ancho de

banda es infinito, esto es que los amplificadores operacionales ideales pueden

amplificar señales en los rangos de frecuencias de 0 a infinito con una ganancia

infinita [3]. Sin embargo, estas características no pueden ser alcanzadas del todo en

la realidad, un ejemplo muy simple es el hecho que no podemos dar ganancias

infinitas, ya que el amplificador operacional real solo puede dar un ganancia, está

dependiendo del rango de voltaje que suministra las fuente de alimentación, dar una

ganancia infinita equivaldría a tener fuentes de alimentación infinitas, lo cual no es

posible en la práctica; mientras que por el lado de las impedancias de entrada

infinitas, tampoco es posible, pero en el mercado existen amplificadores que tienen

impedancias de entrada de varios cientos de mega ohms, con lo que se pueden

hacer aproximaciones al modelo del amplificador operacional ideal.


24

2.6.2 Amplificador de instrumentación

Los amplificadores de instrumentación han sido desarrollados para ser utilizados en

sistemas de instrumentación en los que las características de operación son críticas.

Las características de los amplificadores de instrumentación pueden optimizarse si

se diseñan como circuitos integrados, ya que en este caso, el fabricante puede

garantizar el diseño de los elementos críticos, haciendo que tengan valores precisos

y que las relaciones entre las características de elementos emparejados tengan

razones muy exactas, justo tal como se requiere en su diseño.

La precisión y estabilidad de los amplificadores de instrumentación se realiza a costa

de limitar su flexibilidad. Son amplificadores que han sido diseñados para ser

utilizados únicamente como amplificadores, pero a cambio de ello, proporcionan

unas características buenas, y además pueden utilizarse sin necesidad de conocer

con detalle su diseño interno y con sólo interpretar su función externa [39].

El amplificador de instrumentación es un amplificador diferencial voltaje-voltaje cuya

ganancia puede establecerse de forma muy precisa mediante un circuito resistivo y

que ha sido optimizado para que opere de acuerdo a su propia fabricación aún en un

entorno hostil [40]. El amplificador es un elemento esencial de los sistemas de

medida, en los que se ensambla como un bloque funcional que ofrece características

propias e independientes de los elementos con los que interacciona [38]. Para ello,

se le requiere:

Tengan unas características funcionales que sean precisas y estables.

Sus características no se modifiquen cuando se ensambla con otros

elementos.

A los amplificadores de instrumentación se les requieren las siguientes

características:

Son amplificadores diferenciales con una ganancia diferencial precisa y

estable, generalmente en el rango de 1 a 1000.

Su ganancia diferencial se controlada mediante un único elemento analógicos

(potenciómetro resistivo) o digital (conmutadores) lo que facilita su ajuste.


25

Su ganancia en modo común debe ser muy baja respecto de la ganancia

diferencial, esto es, debe ofrecer un CMRR muy alto en todo el rango de

frecuencia en que opera.

Una impedancia muy alta para que su ganancia no se vea afectada por la

impedancia de la fuente de entrada.

Una impedancia de salida muy baja para que su ganancia no se vea afectada

por la carga que se conecta a su salida.

Bajo nivel de la tensión de offset del amplificador y baja deriva en el tiempo y

con la temperatura, a fin de poder trabajar con señales de continua muy

pequeñas.

Una anchura de banda ajustada a la que se necesita en el diseño.

Un factor de ruido muy próximo a la unidad, Esto es, que no incremente el

ruido.

Una razón de rechazo al rizado a la fuente de alimentación muy alto.

El amplificador de instrumentación es uno de los amplificadores más utilizados, con

una mejor precisión en señales analógicas y versátiles que se dispone en la

actualidad. Este dispositivo electrónico está formado por tres amplificadores

operacionales y siete resistencias, como se observa en la figura 2.9.

Fig. 2.9. Amplificador de instrumentación


26

2.6.3 Amplificador inversor con ganancia

Se llama así este montaje porque la señal de salida es inversa de la de entrada, en

polaridad, aunque pude ser mayor, igual o menor, dependiendo esto de la ganancia

que le demos al amplificador en lazo cerrado. La señal, como vemos en la figura

2.10, se aplica al terminal inversor o negativo del amplificador y el positivo o no

inversor se lleva a masa. La resistencia R2, que va desde la salida al terminal de

entrada negativo, se llama de realimentación.

Fig. 2.10. Amplificador inversor son ganancia

La ecuación # nos indica que la tensión de salida Vo es la tensión de entrada Vi

multiplicada por una ganancia R2/R1. El signo negativo de la expresión indica la

inversión de fase entre la entrada y la salida (Ec. 2.8).

Ec. 2.8

2.7. Filtros activos y pasivos

Con el aumento constante de las cargas no lineales conectadas a la red de

alimentación aparecen muchos problemas de distorsión y pérdida de eficiencia,

debido al bajo factor de potencia. Una de las formas de mejorar esta situación, es la

utilización de filtros activos, y en los últimos años se han desarrollado distintas

estructuras [42]. Estas cargas no lineales conectadas a la red consumen corrientes

que no son senoidales.


27

Los filtros son circuitos que permiten el paso de una determinada banda de

frecuencias mientras atenúan todas las señales que no estén comprendidas dentro

de esta banda. Existen filtros activos y pasivos, los filtros activos utilizan

amplificadores operacionales además de resistencias inductores y capacitores. Los

inductores no se emplean mucho en los filtros activos pues son voluminosos, caros y

a veces tienen componentes resistivas de elevada magnitud [48].

2.7.1 Etapa de filtrado

La señal amplificada proveniente de la etapa del pre amplificador contiene una

mezcla de señales no deseadas, en estas se encuentran inmersas las señales

biológicas. Es por esta razón que para tener registros claros de la señal biológica

necesario depurar o filtrar la información; esto se logra usando amplificadores

operaciones con los cuales se construyen filtros analógicos para obtener registros de

señales deseadas [47]. Sin embargo las señales de ruido provenientes por el

movimiento de los cables y de los artefactos pueden causar una mala interpretación

de los resultados. Otra técnica para evitar el ruido de la toma de corriente y del

ambiente es anexar un filtro rechaza banda (60Hz). Para hacer el filtrado de la señal,

se cuenta con múltiples configuraciones de filtros, también se tiene que tomar en

cuenta el orden del filtro; el orden del filtro es un factor importante y ayuda en gran

medida a la reducción del ruido [47].

2.8. Microcontroladores

Un Microcontrolador es un circuito integrado programable que contiene todos los

componentes necesarios para controlar su funcionamiento de una tarea determinada,

como el control de una lavadora, el teclado de ordenador, una impresora, un sistema

de alarma, etc. Para esto, el Microcontrolador utiliza muy pocos componentes

asociados. Un sistema con Microcontrolador debe de disponer de memoria donde se

almacena el programa que gobierna el funcionamiento del mismo que, una vez

programado y configurado, solo sirve para realizar la tarea asignada. La utilización de

un Microcontrolador en un circuito reduce notablemente el tamaño y el número de


28

componentes y, en consecuencia, disminuye el número de averías y el volumen y el

peso de los equipos [49].

Los Microcontroladores son computadores digitales integrados en un chip que

cuentan con un microprocesador o unidad de procesamiento central (CPU), una

memoria para almacenar el programa, una memoria para almacenar datos y puertos

de entrada salida. A diferencia de los microprocesadores de propósito general, como

los que se usan en los computadores PC, los Microcontroladores son unidades

autosuficientes y más económicas.

2.8.1 Puertos de Entrada y Salida

La principal utilidad de las patas que posee el chip que contiene un Microcontrolador

es soportar las líneas de entrada-salida (E/S) que comunican a la computadora de

manera interna con los periféricos exteriores y, según los controladores de periféricos

que posea cada modelo de Microcontrolador, se destinan a proporcionar el soporte a

las señales de entrada, salida y control. Todos los Microcontroladores destinan

algunas de sus pines para soportar líneas de E/S de tipo digital, esto es, todo o nada.

Por lo general, estas líneas se agrupan de ocho pines formando Puertos. Las líneas

digitales de los Puertos pueden configurarse como Entrada o como Salida (fig. 2.11),

cargando un 1 ó un 0 en el bit correspondiente de un registro destinado a su

configuración.


29

Fig. 2.11. Microcontrolador AVR Atmega16L

Normalmente un Microcontrolador se alimenta con 5 voltios aplicados entre los pines

Vcc y Gnd que son, respectivamente, la alimentación y la masa o tierra de la fuente.

El circuito de alimentación que obtiene los 5 voltios a partir de una tensión de mayor

valor a 8 voltios y al menos 1 amperio es el LM7805 (regulador de voltaje).

2.8.2 Oscilador para Microcontrolador

Todo Microcontrolador requiere de un circuito que le indique la velocidad de trabajo,

este es llamado oscilador o reloj. Este genera una onda cuadrada de alta frecuencia

que se utiliza como señal para sincronizar todas las operaciones del sistema. Este

circuito es muy simple per de vital importancia para el buen funcionamiento del

mismo. Generalmente todos los componentes del reloj se encuentran integrados en

el propio Microcontrolador y tan solo se requieren unos pocos componentes

externos, como un cristal de cuarzo o una red de resistencia y capacitor (RC), para

definir la frecuencia de trabajo.


30

El más utilizado y está basado en el oscilador a cristal de cuarzo (fig. 2.12) o en un

resonador cerámico [49]. Es un oscilador estándar que permite una frecuencia de

reloj muy estable comprendida entre 100 KHz y 4 MHz O en algunos casos con más

frecuencias.

Fig. 2.12. Cristal de cuarzo

2.9 Protocolos de comunicación

2.9.1 Protocolo RS232

Una de las maneras para realizar la comunicación entre 2 PC’s, es utilizando un

cable serial, conectado a los puertos seriales de ambas computadoras. La

comunicación serial utiliza el protocolo RS232 y es el más común de los métodos de

comunicaciones.

En un extremo del cable de comunicaciones se encuentra un conector llamado DB9

hembra y del otro extremo un DB9 macho. Se llama así porque tiene la forma de una

D. y tiene el numero 9 porque tiene 9 patitas o 9 entradas (Fig.2.13)


31

Fig. 2.13. Conector DB9

2.9.2 Principio de funcionamiento

El puerto serial es un dispositivo muy extendido ya sea de uno o dos puertos, con

conector grande o pequeño, todos los equipos de la PC lo incorporan actualmente.

Debido a que en el estándar del puerto serial se mantiene desde hace años, la

institución americana (EIA) ha escrito la norma RS232 que regula el protocolo de la

transmisión de datos, el cableado, las señales eléctricas y los conectores en los que

debe basarse una conexión RS232 [49].

La comunicación realizada con el puerto serial es una comunicación asíncrona. Para

la sincronización de una comunicación se precisa siempre de un bit adicional a través

del cual el emisor y el receptor intercambian la señal del pulso. Pero en la

transmisión serial a través de un cable de dos líneas, esto no es posible ya que

ambas están ocupadas por los datos y la tierra. Por este motivo se intercalan antes y

después de los datos de información de estado según el protocolo RS232. Esta

información es determinada por el emisor y el receptor al estructurar la conexión

mediante la correspondiente programación de sus puertos seriales. La información

que será necesario es la siguiente:

a) Bi de inicio: cuando el receptor detecta el bit de inicio sabe que la transmisión

ha comenzado y es a partir de entonces que debe leer la transmisión y


32

entonces debe leer las señales de la línea a distancias concretas de tiempo,

en función de la velocidad determinada.

b) Bit de parada: con este bit se pueden descubrir errores en la transmisión. Se

puede dar paridad par o impar. En la paridad par, por ejemplo, la palabra de

datos a transmitir se completa con el bit de paridad de manera que el número

de bits es 1 enviados es par.

Las señales con las que trabaja este puerto serial son digitales, de +12Volts (0

lógico), para la entrada y salida de datos, y a la inversa en las señales en las señales

de control. El estado de reposo en la entrada y salida de datos es -12Volts.

Dependiendo de la velocidad de transmisión empleada, es posible tener cables de

hasta 15 metros. Cada pin puede ser de entrada o de salida, teniendo una función

específica cada uno de ellos.

Tabla. 2.2. Distribución de pines del DB9

Las señales TXD, DTR y RTS son de salda, mientras que RXD, DSR, CTS son de

entrada. La tierra de referencia para todas las señales es SG (tierra de señal).

Finalmente existen otras señales como RI (timbre) [49] [50].

2.9.3 Señales del DB9

a) Tierra de chasis: se conecta internamente al chasis del dispositivo.

b) Recibe Datos (RXD). Por este pin entran los datos del dispositivo externo.


33

c) Transmite Datos (TXD). Por este pin salen los datos para ir al dispositivo

externo.

d) Terminal de señal (DTR). Esta pata realiza el control maestro del dispositivo

externo. Cuando este pin está en 1, el dispositivo externo no transmite ni

recibe datos.

e) Tierra de señal. Se ha dicho que los datos se envían como voltajes + o - .

pues bien, este pin es la referencia de señal para esos voltajes.

f) Conjunto de datos listo (DSR). Por lo general, los dispositivos externos tienen

esta patita con un valor permanente de 0.

g) Solicita permiso para enviar datos (RTS). Esta parte del hardware se usa para

verificar que los dispositivos se han comunicado. Si el dispositivo externo está

de acuerdo, pone un 0 en la patita que se llama (CTS).

h) Pista libre para enviar datos (CTS). Esta es la otra mitad del hardware usado

para verificar el dispositivo. Si el dispositivo externo pone en 0 cuando esta

lista para recibir datos.

i) Timbre telefónico. Este pin se usa solo cuando un dispositivo está conectado a

un modem.

2.9.4 Velocidad y control del puerto

El ordenador controla el puerto serial mediante un circuito integrado específico,

llamado UART (Transmisor Receptor Asíncrono Universal). Normalmente se utilizan

los siguientes modelos de este chip: 8250 (antiguo, con muchos fallos, solo llega a

9600 baudios), 16450 (versión corregida, llega hasta 115200 baudios) y 16550 (con

buffers de E/S). A partir de la gama Pentium, la circuiterías UART de las placas base

son todas de alta velocidad, es decir UART 1550A [50].

2.9.5 Convertidor USB a Serial

Los dispositivos de envío y recepción de datos han evolucionado, como por ejemplo,

al USB que maneja protocolos diferentes, así su dispositivo de entrada. Pero tanto, a

falta de un puerto serial en una computadora, se buscan nuevas alternativas para la


34

comunicación, para ello se encontró el USB a serial como se muestra en la figura

2.14, el cual hacia un buen manejo de los protocolos para crear compatibilidad.

Fig. 2.14. Convertidor USB-RS232

Este integrado es un convertidor USB Serie (RS232), con el que se puede emular un

puerto serie a través del USB. Es simple y funcional, y necesita muy poca

electrónica, se conecta casi directamente a las señales TX, RX, CTS, RTS. Con la

ventaja de tener niveles TTL. Este dispositivo es muy útil para comunicar

Microcontroladores PIC o Atmel con la PC, sin puerto serie a través del USB.

2.10 Plataforma de trabajo LabVIEW

LabVIEW es un revolucionario ambiente de desarrollo gráfico con funciones

integradas para realizar adquisición de datos, control de instrumentos, análisis de

mediciones y presentaciones de datos. LabVIEW le da la flexibilidad de un poderoso

ambiente de programación sin la complejidad de los ambientes tradicionales.

A diferencia de los lenguajes de propósito general, LabVIEW provee funcionalidad

específica para que pueda acelerar el desarrollo de aplicaciones de medición, control

y automatización.

LabVIEW está altamente integrado con el hardware de medida, con lo que se puede

configurar y usar rápidamente cualquier dispositivo de medida que se tenga. Con

LabVIEW puede conectarse a miles de instrumentos de medida para construir

sistemas de medida completos, incluyendo desde cualquier tipo de instrumento


35

autónomo hasta dispositivos de adquisición de datos, controladores de movimiento y

sistemas de adquisición de imagen. Además LabVIEW trabaja con más de 1000

librerías de instrumentos de cientos de fabricantes, y muchos fabricantes de

dispositivos de medida incluyen también herramientas de LabVIEW con sus

productos [51].

2.10.1 Instrumentación virtual

Cuando se habla de instrumentos de medida, es normal pensar en un equipo sólido y

cuadrado en determinados casos, y en estos equipos destaca su panel frontal lleno

de botones, leds y demás tipos de controles y visualizadores. En la cara oculta del

panel están los contactos de esos controles que los unen físicamente con la

circuitería interna se compone de circuitos integrados y otros elementos que

procesan las señales de entrada en función del estado de los controles, devolviendo

el resultado a los correspondientes visualizadores del panel frontal.

En instrumento virtual es un módulo de software que simula el panel frontal de un

instrumento que se menciona anteriormente, apoyándose en elementos de hardware

accesibles por el ordenador (tarjetas de adquisición de datos, tarjetas DSP,

instrumentos vía GPIB, VXI, RS232), realiza una serie de medidas como si se tratase

de un instrumento real [52].

De este modo cuando se ejecuta un programa que funciona como instrumento virtual

o VI (Virtual Instrument). El usuario ve la pantalla de su ordenador un panel cuya

función es idéntica a la de un instrumento físico, facilitando la visualización y el

control del aparato. A partir de los datos reflejados en el panel frontal, el VI debe

actuar recogiendo o generando señales, como lo haría un instrumento físico.


36

III.- DESARROLLO

Se presenta el diseño un sistema electrónico capaz de registrar la actividad eléctrica

en plantas, cuando es sometida a estímulos bióticos y abióticos. En el desarrollo de

este sistema electrónico se implementaron varias metodologías (fig. 3.1): la

germinación de las semillas, el tipo de sustrato donde se empezara el crecimiento de

las plántulas hasta su edad adulta, obtener información de algunos estímulos biótico

o abiótico y obtener una base de datos de cada especie debido a su comportamiento

a diferentes condiciones de su entorno.

Se construyó una caja de acrílico (color negro) de 5 mm de espesor y medidas 31cm

de ancho x 62.5 Largo x 51.5 cm de alto, necesarias para tener 2 plantas a la vez en

cada experimento (ver Anexo A), se monitorea la temperatura utilizando sensores

que cuentan con la instrumentación necesaria para él: registro, acondicionamiento y

captura de las señales eléctricas en las plantas de manera endógena, esta

información es enviada vía USB a través de una tarjeta de adquisición de datos y es

recibida por la computadora a través de una interfaz hombre-máquina.


37

Fig. 3.1 Diagrama a bloques del sistema de registro

Modelo Biológico (Plántulas)

Metodología para la

germinación de semillas

Selección de sustratos para el crecimiento de

las plántulas

Acoplamiento de señales

Acondicionamiento de la señal

Conectividad con el puerto USB

Programa de captura

en la PC

Tarjeta de adquisición de

datos

Amplificador de instrumentación

Filtrado de la señal

Tipo de Electrodos


38

3.1.- Germinación de semillas

En el desarrollo de la germinación de semillas de frijol (pinto villa y carioca) es

necesario establecer las condiciones en las cuales el experimento se llevara a cabo,

así como, las limitaciones que esto puede causar. En el trabajo que se presenta se

emplean semillas de frijol pinto villa y carioca (fig.3.2). Por lo cual el experimento no

se puede generalizar con los mismos resultados para otro tipo de semilla.

(a) (b)

Fig. 3.2. Frijol a) Pinto villa, b) carioca

El experimento consta en la colocación de varias semillas de frijol, tanto pinto villa

como carioca y colocar a germinar las semillas en condiciones adecuadas

(temperatura y cantidad de agua), para controlar los factores que pudieran afectar y

así poder observar el crecimiento de la semilla del fríjol.

Para el experimento se emplearon los siguientes materiales: semillas (fríjol pinto villa

y carioca), agua, un contenedor de acrílico transparente y papel.

Las semillas de fríjol son depositadas en un contenedor de acrílico transparente

(fig.3.3), con una cama de papel de 24 x 40 cm, este contenedor tiene las

dimensiones de 30 x 60 x 10 cm y 5 mm de espesor. En ella se colocaron 20

semillas, 10 pinto villa y 10 carioca; a estas se les coloca otra cama de papel en la

parte interior del recipiente de acrílico, esta cama de papel nos sirve para mantener

con una cantidad de agua las semillas y tengan en buen crecimiento.


39

Fig. 3.3 Caja de acrílico

Posteriormente se colocan las semillas distribuidas a lo largo y ancho del contenedor

de acrílico en un espacio de 5 cm de longitud (fig. 3.4), esto con el propósito de

observar que cada semilla se encuentra en condiciones adecuadas de humedad y

cantidad de aire durante la germinación.

Fig. 3.4 Distribución de las semillas

Los factores que son controlados en el experimento y que servirán para observar el

comportamiento de la forma en la que influyen en el crecimiento de la semilla, son

llamados tratamientos. Estos tratamientos que se administran en la semilla son:

Temperatura, tipo de agua y cantidad de agua.

El tipo de agua empleada para la germinación de la semilla es de tipo normal (agua

purificada), esto para mantener las mismas características que se emplea en la

germinación. Para ello se toma una botella de agua embotellada, considerando que

esta tiene las mismas características y un control de calidad, de esta manera

podemos pensar que las características de sales y minerales que contiene el agua es

la misma durante todo el experimento.

Dimensiones


40

La cantidad de agua suministrada a cada semilla es 10 mililitros, para qué el papel

que las cubre solo quede húmedo y no tengan exceso de agua y pueda causar la

formación de hongos debido al exceso del líquido.

La primera expresión de crecimiento en la etapa de germinación corresponde a la

aparición de la radícula, la cual se convierte en la raíz primaria o principal (fig.3.5).

En la parte alta de la radícula, pocos días después de ocurrida la germinación, se

desarrollan entre tres y siete raíces secundarias.

Fig. 3.5. Aparición de la radícula en la semilla

En la germinación de las semillas se presentan tres etapas (fig. 3.6) que se

superponen parcialmente:

1) La absorción de agua por imbibición, causando su hinchamiento y la ruptura

final de la testa.

2) El inicio de la actividad enzimática y del metabolismo respiratorio, translocación

y asimilación de las reservas alimentarias en las regiones en crecimiento del

embrión

3) El crecimiento y la división celular que provoca la emergencia de la radícula y

posteriormente de la plúmula (fig. 3.7).


41

Fig. 3.6. Fase de germinación de semillas

Fig. 3.7. Embrión y semilla de dicotiledónea

Una vez concluida la fase de germinación se cambian las plántulas a los sustratos,

esto con el objetivo de que la plántula tenga un buen crecimiento y continúe con el

proceso de obtención de nutrientes a través de los sustratos en los cuales se coloca.


42

3.2 Utilización de los Sustratos

3.2.1 La Vermiculita

La Vermiculita se ha utilizado como uno de los compuestos para el crecimiento de las

plántulas esto debido al grado hortícola y es uno de los componentes que se

utilizaron en los experimentos, este sustrato es totalmente libre de tierra, se usa

tanto en la agricultura comercial como en la agricultura doméstica. La vermiculita se

utilizó debido al grupo de minerales naturales laminados e hidratados similares a la

mica (fig. 3.8). Los cuales son procesados en Hornos especiales, el mineral se

expande en partículas laminares en forma de acordeón ya reconocida por muchos

como una parte de las mezclas de sustratos libres de tierra.

Fig. 3.8. Sustrato Vermiculita

Este producto procesado es: estéril, permanente, inodoro y no es toxico.

Tiene características que son muy deseables, siendo este un producto muy ligero en

peso, con una alta capacidad de retención de humedad y nutrientes.

Es un tipo de mica que sometido igualmente a altas temperaturas se expande y da

un producto que tiene buena capacidad de intercambio iónico, es decir, de retención

de nutrientes. Su PH está entre 7 y 7.2.


43

Este sustrato se utilizó para el crecimiento adecuado de plántulas, pero el resultado

que nos entregó no fue el idóneo para poder llevar los experimentos. Este tuvo varios

inconvenientes:

a) Las plántulas al tener un crecimiento de 10 cm de largo la vermiculita no tiene

la fuerza suficiente para sostenerla.

b) La cantidad de agua que retiene es poca y no necesaria para las plántulas

utilizadas.

Fig. 3.9. Plántulas en sustrato vermiculita

3.2.2 Agrolita o perlita

Mezclas con perlita pura pueden utilizarse para germinar semillas ya que ésta logra

mantener niveles de humedad y temperatura uniformes. El color blanco brillante de la

perlita la hace muy eficiente para ser utilizada como cobertor de semillas, ofreciendo

protección contra la luz solar muy intensa y la alta energía radiante, como también

resistencia al crecimiento de algas o del musgo superficial. Además el color blanco

de la perlita, refleja la luz hacia arriba en la parte inferior del follaje incrementando el

crecimiento de la planta.


44

Fig. 3.10. Sustrato agrolita o perlita

3.2.3. Tierra para maceta

El suelo natural (Fig.3.11) casi siempre tiene en su interior elementos no deseados

para su uso como sustrato de macetas. Principalmente semillas de yerbas malas y

organismos patogénicos vivos o sus medios de reproducción que son perjudiciales al

desarrollo de la futura planta. Para eliminar este inconveniente, la tierra se somete a

un proceso que produce la muerte de estos agregados indeseables; este proceso se

le llama esterilización. Durante la esterilización también mueren los organismos

beneficiosos que son necesarios en el suelo, por lo que a la tierra esterilizada deben

agregarse estos microorganismos a través del uso de composta. Aunque la

esterilización se puede hacer por métodos químicos, lo más ecológico, es usar

métodos naturales, los más comunes son; con el uso de calor directo y por medio del

calor del sol.


45

Fig.3.11. Tierra para macetas

Las plántulas que se utilizaron en tierra estéril de maceta (fig. 3.12), tuvieron ciertas

ventajas, estas son:

a) La planta en su crecimiento tiene mejor sujeción de sus raíces.

b) Mantiene gran cantidad de agua.

c) Se pueden colocar nutrientes.

Desventajas:

a) Evita la aireación de las plántulas.

b) Retiene demasiada agua lo cual provoca el crecimiento de algunos hongos.

c) Tiene algunas semillas que posteriormente encuentran su medio ideal para

su crecimiento.


46

Fig. 3.12. Plántula en tierra de maceta

3.2.4 Peat moss

Uno de los mejores sustratos para la germinación es el peat moss (fig. 3.13), el cual

retiene hasta el 70% de la humedad, pero esto puede ser un arma de dos filos, ya

que se apelmaza y no permite la aireación. Por eso es que se utiliza en mezclas con

agrolita al 50% ayudando a que no pierda su capacidad de retención de humedad y

mejore su intercambio gaseoso.

Fig. 3.13. Sustrato peat moss

El peat moss es un musgo de genero sphagnum con un PH de 4.5 que sirve como

sustrato de uso hortícola o como cama para las mascotas ya que absorbe gran

cantidad de agua y nutrientes.


47

El peat moss se utilizó al igual que la tierra para macetas, con el mismo tratamiento

de esterilización, para matar los organismos no deseados en este suelo. El método

utilizado se detalla a continuación:

a) Se coloca en bolsas de platico la cantidad de sustrato necesario a utilizar.

b) Se colocan en contenedores de plástico, para evitar el deslave hacia el

aparato que podría elevar la temperatura.

c) Se coloca en un aparato llamado auto clave a una temperatura de 121 oC,

durante 15 min y una presión de 15 Lb/Plg2.

d) Una vez terminado el tiempo de 15 min se deja bajar tanto la presión como

la temperatura.

e) Una vez frío el sustrato (peat moss), se coloca en los recipientes donde se

colocaran las plántulas.

f) En un lapso de 5 a 10 días se observaran las plantas en una altura de 5 a

10 cm (fig. 3.14).

g) Este sustrato se mescla con agrolita en un porcentaje de 50 – 50 %, de

cantidad de ambos sustratos.

fig. 3.14. Plantas en sustrato peat moss


48

3.2.5 Electrodos para medición de biopotenciales

Para registrar los biopotenciales es necesario tener un elemento que haga interfase

entre el modelo de estudio (planta) y el equipo de medida, este elemento es el

electrodo. Dado que los electrodos son una interfase necesaria y que debe tenerse

en cuenta que por ellos fluirá una corriente, generalmente muy pequeña pero

significativa. Además los electrodos forman una interfase de transducción entre una

corriente de naturaleza iónica generada por el modelo y la transforman a una señal

eléctrica transmitida al instrumento de medición.

Uno de los electrodos utilizados en este trabajo fueron de tipo alambre, estos

electrodos o agujas son utilizados en acupuntura para estimular algunas zonas del

cuerpo humano (fig. 3.15).

Fig. 3.15. Electrodos para acupuntura

La ventaja de usar estos electrodos es el diámetro que tienen en la punta (0.2 mm de

espesor), son de bajo costo y fácil de conseguir, pero las desventajas son que

durante el tiempo del desarrollo del experimento y debido al medio ambiente se

forma una cubierta de óxido que alteran la medición de nuestro modelo de estudio,

así como la alteración de la medición o resistividad del electrodo.

Otro electrodo utilizado en este trabajo es el electrodo de electrocirugía, este

presenta grandes ventajas en comparación con el de acupuntura. Evita la formación


49

de la capa de óxido, debido a que al material con el que está construido es acero

inoxidable; la desventaja de este es el diámetro de 1 mm y 15 cm de largo (fig. 3.16).

El diámetro logra perforar los conductos por donde se transmite la información al

resto de la planta, y para lo largo se necesitan manipuladores para sostener el

electrodo.

Fig.3.16. Electrodo para electrocirugía

El electrodo se cubre con una guarda de aluminio, para evitar señales no deseadas

en el registro de las señales eléctricas. Otra desventaja que se vio en el modelo de

estudio fue el diámetro del electrodo, ya que daña a la planta y con ello la sometía a

un estrés no deseado, esto altera en forma considerable la señal generada por la

planta.

El sistema que se desarrolló con estos electrodos tuvo desventajas SAD76 (fig.

3.17.).

Fig. 3.17. Sistema de electrodos de electrocirugía


50

Desventajas del sistema SAD76

a) Los electrodos son grandes en longitud y diámetro.

b) Los electrodos no permiten registrar señales de entrada a la etapa de

instrumentación.

c) El sistema tenía problemas de comunicación con la PC, esto a causa del

puerto de comunicación y debido a esto la perdida de información.

a) Debido al tamaño del electrodo se necesita una fuente de amplificación en el

electrodo ya que el calor debe ser disipado por el tamaño y la conductividad

del electrodo.

Otro electrodo utilizado es de tipo aguja pero para electromiografía, Este electrodo

tiene una longitud de 3 cm y un diámetro de 0.2 mm (fig. 3.18.).

Fig. 3.18. Electrodo para electromiografía

3.2.6 Acoplamiento de señales

En todas las mediciones eléctricas de sistemas biológicos, las señales que se

obtienen ya sea de electrodos como el caso de los potenciales biológicos, o

mediante diversos transductores, son muy pequeñas, por lo que requieren una etapa

de amplificación o acondicionamiento. El diseño de circuitos para realizar esta tarea

se facilita con el desarrollo de amplificadores operacionales (OPAM). Este circuito

nos permite el diseño de circuitos analógicos para el acondicionamiento y

procesamiento...


51

3.3 Etapa de instrumentación

3.3.1 Amplificador emisor seguidor

Se conoce también como amplificador de ganancia unitaria o acoplador de

impedancias (Fig. 3.19). Esto debido a que la señal de entrada Ei, se aplica

directamente a la señal de entrada (+). El voltaje entre las terminales (+) y (-) se

considera 0 volts (cero).

Fig. 3.19. Emisor seguidor

Ec. 3.1

Observamos en la Ec. 3.1, que el voltaje de salida es igual al de entrada Ei, por lo

tanto la ganancia de voltaje dada por la Ec. 3.2, nos da la unidad. Esto se puede

observar el la respuesta de la Fig. 3.20.

Ec. 3.2

Fig. 3.20. Respuesta del seguidor de voltaje

2 MicroSeg/ División 1 Volt / División 500 Milivolt/ División


52

3.3.2 Amplificador de instrumentación

Las señales biológicas se amplifican utilizando varios métodos. El primero, llamado

mono polar o modo común, emplea un electrodo como referencia, colocado en el

modelo de estudio. El segundo y más usado es el método de registro diferencial, en

el cual la señal diferencial se encuentra entre un par de electrodos con respecto a un

tercero que hace la función de tierra o neutral. Este método amplifica cualquier señal

que se encuentre presente en el sitio de contacto de los electrodos. Para la lectura

de estos electrodos de electromiografía se utiliza el amplificador de instrumentación

(mostrado en Fig. 3.21).

(a) (b)

Fig.3.21. (a) Amplificador de instrumentación, (b) Desarrollo de la tarjeta de instrumentación


53

La respuesta del amplificador de instrumentación se muestra en la Fig. 3.22.

Fig. 3.22. Respuesta del amplificador de instrumentación

3.3.3 Corrector de Basal

Para que la señal adquirida vuelva a la línea isoeléctrica, fue necesario utilizar

circuitos supresores de corriente directa que presenta tiempos de respuesta lentos,

pero un muy alto CMRR (120dB min). Para nuestro caso utilizamos el corrector de

basal que se muestra en la Fig. 3.23, que presenta un tiempo de respuesta de 628

milisegundos que corresponde a 1.59 Hz.

Fig. 3.23. Filtro activo pasa altas de frecuencia de corte 1.59 Hz

10 ms/ Div. 50 mV/ Div. 5 mV/ Div.


54

3.3.4 Filtros activos UAF42AP

Los filtros activos pueden presentar ganancia en toda la señal de salida respecto a la

señal de entrada. En su implementación se combinan elementos activos y pasivos,

siendo frecuente el uso de amplificadores operacionales, que permite

obtener resonancia y un elevado factor de calidad (Q) sin el empleo de bobinas.

Estos dispositivos se implementaron con el UAF42AP (fig. 3.24), Este circuito nos

ayuda a eliminar frecuencias no deseadas en un rango calculado mediante la

frecuencia de corte (fc), en nuestro cao fue de 0.05 Hz.

Fig. 3.24. Filtro activo UAF42AP

Este dispositivo se configuro a una frecuencia de 0.05 Hz, una ganancia de 1, tipo

del filtro Butterworth y utilizar una configuración no inversora (Fig. 3.25).

Fig. 3.25. Diseño del filtro Butterworth

http://es.wikipedia.org/wiki/Amplificador_operacional

http://es.wikipedia.org/wiki/Resonancia_el%C3%A9ctrica

http://es.wikipedia.org/wiki/Factor_Q

http://es.wikipedia.org/w/index.php?title=Perritos_sin_petlo_y_colas_de_ratas,_adem%C3%A1s_de&action=edit&redlink=1


55

En la Fig. 3.26 se visualizan los componentes necesarios para el diseño del filtro

Butterworth, estos componentes son RF1, RF2, RQ, y RG. Estos se calculan

mediante un programa dado por el proveedor, siempre y cuando tenga una ganancia

unitaria.

Fig.3.26. Componentes del filtro pasa altas (Butterworth)

Los componentes calculados anteriormente se muestran en la Fig. 3.27. La

configuración del dispositivo con sus respectivos componentes RF1, RF2, RQ, y RG.

Calculada para una frecuencia de 0.5 Hz. También se utiliza una configuración de

configuración PP3, dada por el fabricante.

Fig. 3.27. Configuración del filtro


56

3.3.5 Amplificación de la señal

Uno de los amplificadores operacionales más utilizados. Se trata de un amplificador

cuya ganancia en lazo cerrado desde el voltaje de entrada (V3) a el voltaje de salida

(Vo) está definida por R4 y R1 (Fig. 3.28). Puede amplificar señales tanto de corriente

alterna como de corriente continua. Ese diseño tiene una ganancia de 1 a 50.

Fig. 3.28. Amplificador con ganancia de 1 a 50

La señal obtenida en la salida a partir de la entrada se observa en la Fig. 3.29.

Fig. 3.29. Señales del amplificador con ganancia


57

3.4 Microcontrolador Atmega16L

El Microcontrolador A (fig. 3.31), es el cerebro del sistema electrónico esté dispositivo

se utilizó para controlar el sistema de conexión USB y el sistema de alimentación, así

como coordinar el proceso de funcionamiento del sistema en su totalidad. Este

dispositivo se encarga de monitorear si la PC está conectada con el sistema, en caso

contrario enviara una advertencia visual que se encuentra buscando el dispositivo

USB mediante flechas en una pantalla o la alimentación del sistema si es el caso

(Fig.3.30).

Fig. 3.30. Conectividad del sistema

Fig. 3.31. Función del Microcontrolador

PC

Tarjeta de

adquisición

de datos Por

USB

Microc

ontrola

dor A

Fuente de

alimentación

Display de

co

ne

ctivid

ad

Microc

ontrola

dor B

Sensores temperatura


58

La función del principal del Microcontrolador B, es controlar las leyendas del display,

esto dependiendo de la situación que se presente en el sistema (Fig.3.31). Esta

pantalla (Display) fue desarrollada con dispositivos PD4437, el Microcontrolador B se

guía a través de un protocolo de comunicación del PD4437. Este protocolo se

menciona a continuación:

1. Ajuste del nivel de brillo de la pantalla completa, 0, 25, 50 y 100 %.

2. Cargar el primer carácter a la izquierda del PD4437 (Posición 3).

3. Cargar el segundo carácter a partir de la izquierda del PD4437 (Posición 2).

4. Cargar el tercer carácter a partir de la izquierda del PD4437 (Posición 1).

5. Cargar el cuarto carácter a la derecha del PD4437 (Posición 0).

6. Cargar le permite al carácter que sea intermitente si es que el usuario desea

que este parpadeando.

7. Una vez cargado cada la palabra de 4 dígitos, se continúa visualizando

indefinidamente.

El Microcontrolador A (Fig.3.31), encargado de controlar el USB y Sistema, tiene otra

función aparte de cerebro del sistema, se encarga de controlar los sensores de

temperatura DS1820B colocados en la caja de desarrollo para experimentos. Estos

dispositivos están controlados por subrutinas preestablecidas en el mismo

Microcontrolador:

1. n=w1_search(0xf0,ds1820_rom_codes); 2. for (i=0;i<n;) 3. { temp=ds1820_temperature_10(&rom_codes[i][0]); 4. printf("t%-u=%-i.%-u\xf8C\n\r",++i,temp/10,abs(temp%10)); };

Esta subrutina se encarga en la instrucción 1 de encontrar cuantos dispositivos se

encuentran conectados al Microcontrolador, la instrucción 2 repetir la toma de

temperatura durante n veces, la instrucción 3, captura la temperatura de cada sensor

con una resolución de 0.5 grados de resolución de la temperatura y la instrucción, de

imprimir los resultados obtenidos en la pantalla o si es necesario enviarlos por la

tarjeta de adquisición de datos hacia la PC.


59

Fig. 3.32. Sensores DS1820B

3.5 Pantalla de despliegue

Esta pantalla de despliegue fue diseñada a través de los dispositivos PD4437. Este

dispositivo es un display programable de cuatro dígitos programables. Los dígitos

son de 11.43 mm x 6.86 mm (Fig. 3.33), Estos dígitos están constituidos por matrices

de leds de 7 x 5; estas matrices están construidas con la última tecnología de estado

sólido en los diodos semiconductores de luz. El manejo y control de los leds es a

través de un circuito integrado CMOS con el cual fue diseñado por el fabricante (Fig.

3.34). Este circuito integrado proporciona todos los controladores necesarios para los

Leds y el multiplexado de los mismos.

Fig.3.33 Dimensiones del PD4437


60

Fig.3.34. Diagrama a bloques de PD4437

El mismo sistema se encuentra diseñado para ciertos eventos que pueden suceder

en el desarrollo de un experimento, el primero es el inicio del sistema (Fig. 3.35.a),

una vez comprobado que el sistema se encuentra configurado, se necesita hacer uso

de un teclado que nos ayuda a que el sistema inicie cuando el usuario verifique la

conectividad del sistema (Fig. 3.35.b), en caso que se omita la verificación; el

sistema se encarga de escanear la señal del USB y alimentación del sistema (Fig.

3.30), una vez comprobada la conectividad con la PC, se puede detener el sistema

desde la PC, esto para que no siga capturando datos y enviándola a la plataforma de

programación desarrollada en la PC (Fig. 3.35.c).


61

(a)

(b)

(c)

Fig.3.35. (a) inicio del sistema, (b) Inicio de usuario, (c) sistema detenido desde la PC

3.6 Teclado Matricial

La función del teclado matricial es mantener el control del sistema desde el usuario,

una vez que se encienda el sistema de alimentación y se verifique que se encuentra

conectado con la PC (Fig. 3.36).


62

Fig. 3.36. Conexión del Teclado matricial

Este teclado tiene las dimensiones de 6.9 cm de ancho y 7.6 de largo, con una

extensión para conectar de 8.7 cm.

Fig. 3.37. Teclado matricial

Este teclado es controlado por un dispositivo MM74C922N (Fig. 3.38), este

dispositivo se encarga de convertir las columnas y renglones en un dato que pueda

interpretar el Microcontrolador, es decir si se aprieta el digito 1 el codificador

convierte a su salida en un cero binario (“0000”), si se oprime el 2 se codifica a su

MicrocontroladorAt

mega16L

Pantalla de despliegue LCD

Co

ntro

Señales

del

teclado

Teclado matricial

1 2 3 A

4 5 6 B

1

7

8 9 C

* 0 # D

Conexión

con la PC


63

salida con un uno binario de 4 bits (“0001”). Esto se repite constantemente mientras

se encuentra alimentado el dispositivo.

Fig. 3.38. Codificador MM74C922N

Este dispositivo tiene la capacidad de estar convirtiendo los datos de entrada del

teclado matricial, en datos binarios de 4 bits (Fig.3.39).

Fig. 3.39. Diagrama interno del codificador para teclado MM74C922N


64

El codificador tiene la facilidad de poderse configurar mediante dispositivos externos

para trabajar a un frecuencia que es calculada por la resistencias de 10K ohms.

Debido a su fabricación posee dispositivos que se encargan de eliminar los rebotes,

esto debido al funcionamiento de teclado, ya que solo cambiara de estado hasta

oprimir una tecla distinta a la antes presionada. Los datos binarios se mantendrán

mientras no cambie la tecla presionada, este estado de salida es causa de los flip-

flops tipo D, utilizados en la salida del MM74C922N.

3.7 Conexión del sistema

3.7.1 Conexión serial RS232

El puerto serial también llamado RS-232 (por el nombre del estándar al que hacen

referencia) es la interface que permite intercambio de información con los

dispositivos electrónicos del sistema (Fig.3.40). El puerto serial se refiere a los datos

enviados mediante un solo bit de mando llamado Tx y la recepción a través de un bit

llamado Rx. Los bits se envían uno detrás del otro hasta terminar él envió de datos

(el número de datos depende de la configuración del programador), sin embargo este

dispositivo tiene limitantes, estos dispositivos empiezan a desaparecer de las

computadoras portátiles no en algunos casos de las computadoras de escritorio.

La comunicación serial se lleva a cabo asincrónicamente, es decir que no es

necesaria una señal de sincronización o reloj, los datos pueden enviarse en

intervalos aleatorios. A su vez, el periférico debe poder distinguir los caracteres (un

carácter tiene 8 bits de longitud) entre la sucesión de bits que se está enviando. Por

esta razón en este tipo de transmisión, cada carácter se encuentra precedido por un

bit de arranque y seguido por un bit de parada. Estos bits de control, son necesarios

para la transmisión serial, esta comunicación desperdicia un 20% del ancho de

banda (cada 10 bits enviados, 8 se utilizan para cifrar el carácter y 2 para la

recepción).

http://es.kioskea.net/contents/base/binaire.php3

http://es.kioskea.net/contents/transmission/transmode.php3


65

Fig. 3.40. Comunicación serial (RS232)

La tarjeta desarrollada tiene desventajas en el circuito MAX232 (convertidor de

niveles de voltaje RS232 a TTL), este dispositivo al utilizar capacitores electrolíticos

el tiempo de carga y descarga de cada uno de ellos es muy lenta, motivo por el cual

se tiene una comunicación de baja velocidad de transmisión y recepción, esta

desventaja también se presenta en la transmisión y recepción de datos, esto debido

a que cada bit se transmite de forma ordenada hasta completar 8 datos; de envío y

recepción. El motivo de no utilizar este protocolo de comunicación es que en las

computadoras portátiles no cuentan con estos dispositivos.

3.7.2 Conexión USB

El puerto USB (Bus de Serie Universal) es una entrada o acceso para que el usuario

del sistema pueda enviar la información procesada de la etapa de instrumentación y

el control de los Microcontroladores hacia la PC o de la PC poder controlar el

funcionamiento del sistema.

Una de sus principales características, es su capacidad plug & play. Este concepto

se refiere a la cualidad de que con sólo conectar el dispositivo a la PC, el programa

de captura lo reconoce y es capaz de interpretar la información enviada y

reproducirla inmediatamente. Es decir, que la computadora y el sistema hablan el


66

mismo idioma. Otra de las ventajas que nos proporciona este dispositivo es conectar

y desconectar el sistema sin necesidad de reiniciar el equipo.

Fig. 3.41. Diagrama a bloques del FT232RL

Este dispositivo nos da la certeza de un envió de información de manera rápida, esto

debido a las velocidades de transferencia de datos (300 baudios a 3 Mega baudios)

Fig.3.42. Conectividad del FT232RL


67

El desarrollo de la tarjeta se observa en la figura 3.43.

Fig. 3.43. Sistema de comunicación con el FT232RL

3.8. Caja de desarrollo de registros

El sistema cuenta con una caja de color negro en el cual se encuentra los

componentes electrónicos (figura 3.44), fuente de alimentación, tarjeta de

instrumentación, tarjeta de manipulación de datos del teclado matricial hacia el

sistema de control, tarjeta del Microcontrolador A (cerebro del sistema electrónico),

Microcontrolador B (controlador de leyendas hacia el Display), tarjeta de

comunicación USB, tarjeta de pulsos casi cuadrados.

Fig. 3.44. Caja de desarrollo


68

3.9 Programa de captura de datos

En el programa de captura de presentan dos pantallas una de control y la de panel

frontal, la pantalla de control (fig. 3.45) se encarga de realizar todas las operaciones

de captura y acondicionamiento del sistema electrónico, en el panel de frontal (3.46)

se encarga de visualizar los datos que son procesados en la pantalla de control.

Fig. 3.45. Panel de control del programa de captura

Fig. 3.46. Panel frontal del programa de captura

Visualización de datos




69

En la figura 3.47 muestra como el programa controla de un inicio el funcionamiento

del programa, este es a través de un control de encendido o apagado del sistema.

Fig. 3.47. Sistema de Encendido

En el panel de control se encuentran dos controles llamados Led y Button, cuando el

Button se habilita hacia arriba este pone en marcha el funcionamiento del panel de

control y enciende el led etiquetado como encendido y viceversa se apaga el led.

En caso de no tener encendido el sistema este se encarga de actualizar los datos de

tiempo y fecha en el panel frontal, esto nos sirve para tener referencia de los datos

que se registraran en los archivos a evaluar (fig. 3.48).

Fig. 3.48. Etapa de monitoreo sin encender desde el panel frontal

Una vez encendido el control, este verificara si el sistema se encuentra en

comunicación con la tarjeta de adquisición, encargada de verificar la conectividad

con el puerto USB y el Sistema. En caso de haber un error de comunicación se


70

encenderá en un color azul o de lo contrario en color café obscuro (fig. 3.47).

Cuando se enciende el led mostrando un error en el sistema este se verá en

mediante un mensaje que enviara al usuario que el sistema no funciona

correctamente (fig. 3.49) y detendrá el proceso de comunicación con la tarjeta de

datos.

Fig. 3.49. Etapa de paro con error

El sistema de registro cuenta con varias etapas de control de decisiones, en la figura

3.50 se controla la conectividad del puerto USB y la PC, esto se controla con

diferentes códigos decimales (base 10), debido a que la tarjeta de adquisición de

datos la recibe en forma binaria cada una de las señales de conectividad y las

transfiere al programa en forma decimal (dato de 8 bits). El código uno en la pantalla

de control se refiere a que el pin que monitorea el puerto USB está recibiendo que se

encuentra conectado, el código 2 monitorea que el sistema de la caja de desarrollo

se encuentra funcionando correctamente y el código 3 se refiere que el sistema se

encuentra en su total funcionamiento para realizar un registro de señales.

Fig. 3.50. Sensado del sistema y USB

Control del USB, Sistema y

Ambos


71

En la figura 3.51, se muestra el proceso de captura de datos en cada parte de la caja

de desarrollo. Este cuenta con un ciclo de decisión si este se encuentra en “True” el

programa ejecutara los bloque contenidos dentro del proceso; siempre y cuando la

tarjeta de datos no comunique un error de comunicación, en caso de ser así se

ejecutara la parte “False” del control de decisión. El proceso “True” cuenta

primeramente con un ciclo que contara de 0 a 1, debido a que tenemos dos parte

donde se pueden realizar registros en la caja de desarrollo posteriormente se enviara

el dato de la variable i hacia otro control de decisión que se encarga de recibir (DAC

Assistant3) y enviar (DAC Assistant4) a la tarjeta de datos el valor contenido en la

variable i, este se encarga de realizar en una parte de la caja la captura del sensor

de temperatura y visualizarla en dos controles que se observa en forma decimal y en

desplazamiento.

El control DAC Assistan5 se encarga de recibir los datos del sistema instrumentación

electrónica, este a su vez visualizara los datos en dos controles que también se

encuentran presentes en el panel frontal (fig. 3.46).

Fig. 3.51. Primera etapa de captura de datos


72

En la figura 3.52 se muestra los controles tanta en el panel de control como en panel

frontal de los datos que pueden registrarse en los archivos que el sistema puede

almacenar con cada experimento.

Fig. 3.52. Controles de tiempo de inicio y termino del registro

En la figura 3.53 se muestra el procedimiento de captura de datos y temperatura

igual que en la figura 3.51, la diferencia en este es que el control de decisión apunta

a que cambia de cero a uno el proceso que deberá de registrar.

3.53. Segunda etapa de captura de datos

Control de procesos


73

En la figura 3.54 muestra que el sistema registrara el nombre del archivo, que enviara

los datos a un archivo de Excel para su posterior análisis, muestra también el tipo de

planta que le será colocada, si guardara los datos en un archivo o solo serán

visualizados en el panel frontal, la fecha de realización del experimento y el momento

que se realizó.

Fig. 3.54. Datos del registro


74

IV. PRUEBAS Y RESULTADOS

En la figura 4.1 se muestra la señal que reciben los electrodos cuando son insertados

al tallo de la planta a estudiar. Esta se debe al estrés que se genera al interior de la

planta, la distancia de colocación de estos electrodos es de 5 cm entre uno y otro,

con una amplificación de 20 que es realizada por el programa de captura en el panel

de control; el electrodo de referencia se coloca en la parte cercana a la tierra de la

maceta. Este tipo de información que no proporciona el sistema es debido a un

estímulo abiótico (Daño mecánico por inserción de los electrodos).

Fig. 4.1. Señal que genera la planta la incidir los electrodos

En la figura. 4.2. Se muestra el registro de una planta sin estimulo alguno en la

misma, este se realizó para identificar el ruido que pudiera causar los electrodos

después de un tiempo (30 segundos) de haber incidido los electrodos en el tallo

(electrodo de referencia) y nervadura central de la planta para el registro de

información. Este estudio tiene las mismas condiciones de separación entre

electrodos que es de 5 cm entre ellos y amplificación de 20.


75

Fig. 4.2. Señal después de la inserción de electrodos

En la figura 4.3 se muestra el registro cuando se realiza el corte total de una hoja en

otro extremo de la planta, esta señal se observa con una amplitud entre -1 y 1 volt,

esto debido a la amplificación de 5 que el sistema le da al capturar la señal.

Fig. 4.3. Señal de corte de una hoja


76

En la figura 4.4 se muestra una señal de registro cuando se corta una hoja en esta

figura se observa que tiene una amplificación mayor que en la figura 4.3. Esto se

debe a la amplificación de 15 que es variada en el panel de control antes y durante la

capturar de las señales.

Fig. 4.4. Corte de una hoja con amplificación de 15

En la figura 4.5 se muestra el corte de una hoja pero con una amplificacion de 50, en

este registro se colocaron los electrodos a una distancia de 8 cm, entre cada uno de

ellos.

Fig. 4.5. Señal con amplificación y distancia entre electrodos


77

En la figura 4.6. Se muestra la señal de un estímulo con un electrodo, este se inserta

1mm en una nervadura central de la hoja, cercana a los electrodos de registro (5

cm), la inserción de este electrodo es durante unos milisegundos, se pincha por un

instante de tiempo y se quita de manera instantánea. Este registro se realizó con una

amplificación de 20.

Figura 4.6. Daño mecánico con un electrodo

En la figura 4.7. Se muestra la continuación de la señal con daño mecánico, en ella

se observa que mediante va pasando el tiempo llega a disminuir la amplitud de la

señal hasta llegar a estabilizar o adecuar la planta a las nuevas condiciones que se

establezcan. Este registro es realizado con la colocación de los electrodos a 5 cm de

distancia entre ellos y una amplificación de 15.


78

Fig. 4.7. Continuación de la señal de daño mecánico

En la figura 4.8. Se muestra el resultado de la señal cuando se estimula con una

señal cuadrada aplicada a una distancia de 3 cm de la colocación de los electrodos,

en ella se observa que cuando aparece la señal, esta se transmite a través de la

planta pero es una señal que se modifica en magnitud. La señal con la que se

estimula es de 10 Hz, 500mV (milivolts), y en el panel de control se ajusta a una

amplificación de 25.

Figura 4.8. Señal con estimulo de señal cuadrada

Señal de estimulo

Señal resultante del

estimulo


79

En la figura 4.9 se muestra la respuesta que presenta la planta al tocar la superficie

de una hoja con la yema de un dedo, este registro se desarrolló con la colocación de

los electrodos a 5 cm de separación, amplificación de 5 y con solo pasar el dedo por

la superficie de una hoja cercana a los electrodos.

Fig. 4.9. Estimulo en la superficie de la planta

En la figura 4.10 se muestra la señal al provocar presión sobre una hoja cercana a

los electrodos de registro, esta es estimulada a través de la parte superior e inferior

mediante los dedos de la mano y realizando una pequeña presión a través de la hoja.

Los electrodos están colocados a 5 cm de distancia entre ellos y una amplificación de

10.

Fig. 4.10. Estimulo con presión en una hoja


80

En la figura 4.11. Se muestra la estimulación de una planta con una señal de

frecuencia a 10 Hz, amplitud de 500 mV, en ella se observa un cambio de forma de

la señal de salida al trascurrir el registro, esta no se transmite de igual manera que la

señal de entrada. Las condiciones de este registro inicia con la colocación de los

electrodos a 5 cm de distancia entre cada uno de ellos, una amplificación de

ganancia unitaria.

Fig. 4.11. Estimulos con una frecuencia de 10 Hz y 500 mV

En la figura 4.12 se muestra el estimulo de la planta a la misma frecuencia de la

señal en la figura 4.11. pero a una amplitud mayor e la señal de entrada, esta es de

1000 mV. Lo que se puede observar en esta imagen es que la señal de salida se

empieza a ver mas definida sin señales aleatorias de alta frecuencia. Este registro

tiene las mismas condiciones de los electrodos, estos se encuentran con una

separación de 5 cm entre ellos y una amplificacion unitaria.


81

Fig. 4.12. Estimulos con una frecuencia de 10 Hz y 1000 mV

En los siguientes experimentos se utilizó una planta mimosa o sensitiva ver figura

4.13.

Fig. 4.13. Colocación de electrodos

Señal de

estimulo

Señal resultante del

estimulo


82

Tabla 4.1. Valores de respuesta a la inserción de electrodos

Tiempo de inicio de respuesta 0,255 s.

Tiempo final de respuesta 0,456 s.

Amplitud máxima 0,4544 V.

Amplitud mínima -0,554 V.

En la figura 4.14, se muestra la respuesta al estímulo de una fuente de luz blanca,

esta tiene una intensidad de 590 luxes, colocando la fuente de luz a 2 cm de

distancia de una hoja que está localizada en el mismo tallo donde se colocaron los

electrodos, la temperatura durante el experimento se encuentra entre 25-27 oC. La

planta tiene una primer respuesta (etiqueta 2) a los 0.768 segundos de haber iniciado

el estímulo y termina a 1.192 segundos, la amplitud es de 1.289 volts como máximo y

-0.8521 volts como mínimo. El tiempo que tarda en iniciar la segunda respuesta

(etiqueta 3) es de 5.264 segundos de iniciado el estímulo y termina a los 5.436

segundos, la amplitud es de 0.53 volts como máximo y -0.42 volts como mínimo. La

tercer respuesta (etiqueta 4) inicia a 10.74 segundos y termina a 10.91 segundos, la

amplitud es de 0.3644 volts y mínimo -0.2394 volts. Todos los tiempos fueron

tomados una vez iniciado el estímulo.


83

Fig. 4.14. Estimulación con luz blanca, 590 luxes

En la figura 4.15, se muestra la respuesta a los estímulos de una fuente de luz

blanca con doble pulso de luz, esta tiene una intensidad de 590 luxes, la fuente de

luz se coloca a 3 cm de distancia de una hoja que está localizada en el mismo tallo

donde se colocaron los electrodos con una amplificación de 5, la temperatura durante

este experimento se encuentra entre 25-27oC. La primer respuesta (etiqueta 1) es a

17.33 segundos de haber iniciado el primer estímulo y termina a 18.9 segundos, la

amplitud es de 5.107 volts como máximo y -3.342 volts como mínimo. El tiempo que

tarda en iniciar la segunda respuesta (etiqueta 2) es de 25.46 segundos y termina a

los 26.2 segundos, La amplitud es de 1.767 volts como máximo y mínimo -1.144

volts. La tercer respuesta (etiqueta 3) inicia a los 43.17 segundos y termina a los

43.46 segundos, la amplitud es de 0.7792 volts y mínimo -0.4768 volts, la cuarta

respuesta (etiqueta 4) inicia a los 46.01 segundos y termina a los 46.57 segundos, la

amplitud es de 3.415 volts como máximo y -2.187 volts como mínimo, la quinta

2 3

4

1


84

respuesta (etiqueta 5) inicia a los 49.08 segundos y termina a los 49.2 segundos, la

amplitud es de 0.305volts y como mínimo -0.21 volts.

Fig. 4.15. Estímulo con luz blanca implementando 2 pulsos de luz, 590 luxes

1

2

4

3 5

Inicio


85

V. DISCUSIÓN

En el desarrollo de este trabajo se utilizaron diferentes formas de germinado de las

semillas en las cuales se observó que no es recomendable germinar las semillas en

los sustratos, estas deben ser primero germinadas y posteriormente colocados en

cada sustrato para su crecimiento, también en la germinación se debe observar que

las semillas cuentan con su radícula, esta para asegurar que puedan crecer en los

sustratos.

Las semillas una vez colocadas en los sustratos necesitan cuidados como el

suministro de solución nutritiva, ya que esta si no se encuentra presente en el

sustrato las plantas no crecerá y en algunas ocasiones estas no tienen un

crecimiento óptimo.

Las plántulas que se utilizan deben tener un cierto tamaño (5 cm. de altura), con esto

aseguramos que la planta tiene un tallo más firme y grueso para la incisión de los

electrodos.

Los electrodos a usar dependerán del tipo de tallo de cada planta, si se utilizan unos

más grandes en diámetro causaran un mayor daño como estímulo, y no podrá

identificarse el que es provocado para su estudio.

El acondicionamiento de la señal dependerá de la distancia en que se encuentre

cada electrodo con el de referencia, ya que a mayor distancia menor el potencial que

se registra en los electrodos.

El uso de algunos puertos para la obtención de datos del sistema dependerá de la

evolución de la tecnología, en este momento se considera el USB la tecnología más

reciente.

En los resultados se observó que la señal es transmitida a través del sistema

vascular de la planta, y este, es el encargado de transmitir la información a todas las

partes de la planta, como lo son las hojas, en su mayoría esta señal llega con una

menor o mayor amplitud, esto se debe a la provocación del estímulo; a mayor

distancia tarda en llegar la señal o llega en menor amplitud donde se colocan los

electrodos.


86

VI. CONCLUSIONES Y PERSPECTIVAS

El crecimiento de las plantas depende de dos etapas, la primera en la germinación

de las semillas, en esta, las condiciones en las cuales se someten las plántulas

deben ser de manera controlada, el tipo de agua sin muchas sales, en cantidades

abundantes de agua llegan a morir sin llegar a tener el crecimiento de la radícula, el

contenedor debe tener la manera de que legue aire para evitar la generación de

hongos en las semillas y la cantidad de luz debe ser mínima en comparación de

proceso de crecimiento.

En segundo, las sustancias que tienen los sustratos deben ser inertes a las plántulas,

ya que en un inicio la plántula recibe sus nutrientes del dicotiledón. Los sustratos

deben ser lo suficiente porosos para almacenar agua que la misma plántula le

demandara durante su crecimiento.

De los experimentos el 80% del crecimiento depende más de la primera etapa, ya

que si no germina una semilla raramente en el sustrato hará este proceso de

germinación y morirá.

Las plantas tienen un crecimiento de lento a rápido, esto depende desde su

germinación de las semillas y las condiciones en las cuales se someten las plántulas.

Mencionando que también depende de los componentes que pueda tener los

sustratos, donde se hará el crecimiento de las mismas.

La información eléctrica viaja a través del sistema vascular de la planta, de un punto

a otro y la amplitud de la señal eléctrica registrada en el sistema electrónico depende

de la distancia entre el estímulo y el electrodo. El sistema electrónico y de registro es

una herramienta que ayuda al fisiólogo u operador a desarrollar estudios con

diferentes tipos de plantas, y poder almacenar estos datos en un archivo para su

posterior análisis.

Las señales eléctricas responden a diferentes tipos de estímulos generados o

provocados en algún lugar de la planta por ejemplo: estímulos de luz, fuerza,

temperatura, humedad y daño mecánico.


87

Este prototipo se puede emplear para diferentes tipos de registros durante 24 horas o

más.

Al sistema se le puede agregar una cámara, para registrar los estudios que se

puedan realizar con patógenos; esto podrá identificar el efecto que causa el

patógeno al someter a la planta a un estrés abiótico y la señal que es generada de

manera endógena por la misma planta.


88

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m en c. alberto hernández pérez

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